Обзор альтернативных источников энергии. Геотермальная энергия

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. СТРОИТЕЛЬСТВО

УДК 628

ОБЗОР АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ

ЭНЕРГИЯ

Н.В. Белоокая, Е.И. Пивоварова

Проведен краткий обзор альтернативных источников энергии. Проведен обзор геотермальных источников энергии, способов ее использования, способов получения электроэнергии на геотермальных электростанциях, отражены достоинства и недостатки данного вида энергии, описана ситуация использования геотермальной энергии на территории России.

Ключевые слова: альтернативные источники энергии; геотермальная энергия; геотермальные электростанции; энергосбережение.

SURVEY OF ALTERNATIVE ENERGY RESOURCES. GEOTHERMAL ENERGY

N.V. Belookaia, E.I. Pivovarova

We made a short survey of alternative energy resources. We also made a survey of geo-thermal energy resources, ways to use it, ways to get energy at the geothermal power stations, reflected the advantages and disadvantages of this kind of energy, described the situation of using geothermal energy on the territory of Russia.

Key words: alternative energy resources; geothermal energy; geothermal power stations; energy preservation.

Ученые предупреждают о возможном исчерпании известных и доступных для использования запасов нефти и газа, об истощении других важнейших ресурсов: железной и медной руды, никеля, марганца, алюминия, хрома и т.д. За 40 лет после второй мировой войны было использовано столько минерального сырья, сколько использовалось за всю предыдущую историю человечества. Конечно, о полном (или абсолютном) исчерпании ресурсов говорить еще рано (по мере расширения поисковых работ достоверные запасы отдельных ресурсов даже возросли), но это слабое утешение.

Сегодня энергетика мира базируется на невозобновляемых источниках энергии. В качестве главных энергоносителей выступают нефть, газ и уголь. Ближайшие перспективы развития энергетики связаны с поисками лучшего соотношения энергоносителей. Но можно сказать, что человечество уже сегодня вступило в переходный период - от энергетики, базирующейся на органических природных ресурсах, которые ограничены к энергетике на практически неисчерпаемой основе.

Большие надежды в мире возлагаются на так называемые альтернативные источники энергии, преимущество которых заключается в их возобновимости и в том, что это экологически чистые источники энергии.

К таким источникам относят:

- энергию солнца,

- энергию ветра,

- энергию приливов и отливов,

- геотермальную энергию,

- биотопливо.

Подробнее остановимся на геотермальной энергии Земли. Что же это такое?

Геотермальная энергия - это термальная энергии земных недр, получаемая в результате физико-химических процессов в земных недрах, которые нагревают подземные воды до состояния перегретого пара. Тепловая энергия недр образуется за счет расщепления радионуклидов в середине планеты.

Источники геотермальной энергии классифицируются Международным энергетическим агентством на 5 типов:

1. месторождения геотермального сухого пара;

2. источники горячего пара (соединение горячей воды и пара);

3. месторождения геотермальной воды;

4. сухие горячие скальные породы;

5. магма.

Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое использование тепла и производство электроэнергии.

Прямое использование тепла является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах тектонических плит, например, в Исландии и Японии. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки одежды и для отопления зданий, теплиц, бассейнов, сушки сельскохозяйственных и рыбопродуктов, выпаривания растворов, выращивания рыбы, грибов и т.д.

Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150°С). Для такого способа используют высокотемпературные геотермальные энергетические и тепловые станции (ГеоЭС).

Геотермальная электростанция (ГеоЭС) - вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

1. прямая схема: пар поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива);

Геотермальная паровая электростанция

Сеть

турбина генератор

Рис. 1. Прямая схема получения энергии

2. непрямая схема: для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы (температура выше 182 °С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно выпарить в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Рис. 2. Непрямая схема получения энергии

3. смешанная схема (бинарный цикл): горячая геотермальная вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют.

Рис. 3. Смешанная схема получения энергии

В последние годы во многих странах стали применять тепловые насосы, в которых используется низкопотенциальная тепловая энергия с температурой 4-6 градусов °С и выше. В качестве источника такой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло).

Можно утверждать, что геотермальная энергия имеет следующие достоинства:

- практически полная безопасность для окружающей среды. Количество СО2, выделяемого при производстве 1 кВт электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет от 13 до 380 г (например, для угля он равен 1042 г на 1 кВтйч);

- независимость использования от погодных условий, дня или ночи, времени года, в отличие от солнечного излучения;

- коэффициент использования превышает 90%;

- восполняемость геотермальной энергии, её неиссякаемость;

- универсальность применения (может быть переработана в электрическую или обеспечивать жилые дома подогретой водой);

- электростанции не занимают много места;

- нет расхода топлива.

Но у нее есть так же и недостатки:

- большая проблема состоит в том, что существует не так много мест, где можно строить геотермальные электростанции;

- горячие камни должны быть соответствующего типа, на глубине, где до них можно добраться; тип пород должен быть таким, чтобы их можно было легко сверлить;

- могут выйти опасные газы и минералы из-под земли, и их может быть трудно безопасно утилизировать;

- при переработке геотермальной энергии требуется удаление воды либо в океан, либо обратно в глубокие слои почвы. В противном случае существует риск уничтожения пресноводных форм жизни.

Технологические ограничения использования геотермальной энергии на территории России:

- месторождения глубинных термальных вод, расположенных по территории неравномерно; запасы большинства геотермальных месторождений имеют низкие и средние температуры, что не позволяет обеспечить их конкурентоспособность с традиционными энергоносителями;

- высокая минерализация геотермальных вод, а, следовательно, снижение срока службы скважин и оборудования;

- для использования приповерхностных геотермальных ресурсов характерно фактическое отсутствие методического и нормативного обеспечения проектирования и строительства этих систем в почвенно-климатических условиях России, а также характерны повышенные единовременные капитальные вложения при сравнительно низких эксплуатационных издержках;

- для технологии с использованием глубинного тепла земли - высокая стоимость строительства скважин (от 70 до 90% основных производственных фондов).

Использование геотермальной энергии на территории России

Россия не входит даже в первую десятку производителей электрической и тепловой энергии из геотермальных источников, в то время как запасы геотермальной энергии в России по оценкам в 10-15 раз превышают запасы органического топлива в стране.

Потенциальные тепловые ресурсы верхних слоев Земли, до глубины 100-200 м, ежегодно возобновляемые, в основном за счет инсоляции.

Геотермальная энергетика экономически эффективна в районах, где горячие воды приближены к поверхности земной коры - в районах активной вулканической деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курилы, острова Японского архипелага). Эти регионы по своим климатическим условиям и по потенциалам в геотермальной энергетике можно сравнить лишь с Исландией.

По данным института вулканологии Дальневосточного отделения Российской академии наук, только геотермальные ресурсы Камчатки оцениваются в 5000 МВт, что позволит обеспечивать регион электроэнергией и теплом в течение 100 лет. Именно поэтому особое внимание уделяется развитию геотермальной энергетики в данном регионе. Уже разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения Камчатки, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900 тыс. тонн условного топлива.

Самым крупным геотермальным месторождением на Камчатке является Мутонов-ское, мощностью 300 МВт. На юге Камчатки известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, Больше-Банном, а на севере - на Киреунском месторождениях.

Курильские острова также богаты запасами тепла Земли, их вполне достаточно для тепло- и электрообеспечения этой территории в течение 100-200 лет. На острове Итуруп обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова.

На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. Недра северного острова Парамушир менее изучены, однако известно, что и на этом острове есть значительные запасы геотермальной воды температурой от 70 до 950 °С.

Несмотря на высокий потенциал, можно сказать, что основные геотермальные источники в России расположены экономически невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности.

Сегодня большой интерес представляют геотермальные ресурсы Краснодарского и Ставропольского краев, Калининградской области, где имеются запасы горячей воды с температурой до 1100 °С. Запасы геотермального тепла имеются и на Чукотке, часть из них уже открыта и может активно использоваться для энергообеспечения близлежащих городов и поселков.

На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 1800°С, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используют геотермальные ресурсы для теплоснабжения и горячего водоснабжения в сельском хозяйстве, промышленности и в быту.

Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирский регион также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного применения в промышленности и сельском хозяйстве и, конечно, для теплоснабжения городов и поселков.

По мнению экспертов, в последние годы в России наблюдается поворот к использованию геотермальных источников в энергетической отрасли,вместе с тем, рассматривая текущее и перспективное производство электроэнергии на основе возобновляемых источников.

В соответствии с Энергетической стратегией России до 2020 года планируется рост теплопотребления в стране не менее чем в 1,3 раза, причем доля децентрализованного теплоснабжения будет возрастать с 28,6% в 2000 г. до 33% в 2020 г.

В этой связи можно ожидать увеличение числа реализованных проектов в области обеспечения населения теплонасосной техникой.

Статья поступила 17.02.2015 г.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алхасов А.Б. Повышение эффективности использования геотермального тепла. Теплоэнергетика, 2003.

2. Бутузов В.А. Анализ геотермальных систем теплоснабжения России // Промышленная энергетика, 2002.

3. http://esco.co.ua/j ournal/2010_10/art068. htm

4. http://www.bibliotekar.ru/alterEnergy/35.htm

5. http://www.facepla.net/index.php/content-info/554-geothermal

6. http://re. energybel. by/ geothermal-ru/

7. http://www.baltfriends.ru/node/67

8. http://intersolar.ru/downloads/handbook/handbook6.pd

9. http://www.cleandex.ru/articles/2010/08/18/market_for_geotherm_energy

Информация об авторах

Белоокая Нина Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Городское строительство и хозяйство», тел.: 89148723364, e-mail: bnv60@rambler.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Пивоварова Евгения Ивановна, магистрант по специальности «Инновационные технологии в технической эксплуатации зданий и городских инженерных систем», e-mail: pivka1991@mail.ru; Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Information about the authors

Belookaia N.V., Candidate of Technical Sciences, associate professor of urban development and economy, tel.: 89148723364 e-mail: bnv60@rambler.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Pivovarova E.I., candidate for a master's degree «Innvative technologies of technical exploitation of buildings and town engineering systems», e-mail: pivka1991@mail.ru; Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

УДК 69.001.5

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЗДАНИЙ В

ИРКУТСКОЙ ОБЛАСТИ

А.А. Зарубина, А.Е. Саушкина, Е.А. Мусихина

Статья посвящена актуальнейшей проблеме - проектированию и строительству энергоэффективных зданий и сооружений применительно к природно-климатическим условиям Иркутской области. Рассмотрены различные аспекты проблемы: экологические, экономические, природно-климатические и правовые. В зависимости от особенностей проектирования и строительства в российских условиях приведены примеры «зеленых» технологий и сопутствующих ресурсосберегающих мероприятий.

Ключевые слова: «зеленая» архитектура; сертификация экологически чистого строительства; рейтинговые системы.