Геотермальное отопление
| Часть серии о |
| Устойчивая энергетика |
|---|
 |
Геотермальное отопление – это прямое использование геотермальной энергии для некоторых целей отопления. Таким образом, люди использовали геотермальное тепло еще с эпохи палеолита. В 2004 году около семидесяти стран напрямую использовали в общей сложности 270 ПДж геотермального отопления. По состоянию на 2007 год 28 ГВт мощностей геотермального отопления, что удовлетворяет 0,07% мирового потребления первичной энергии. во всем мире установлено [1] Тепловая эффективность высока, поскольку преобразование энергии не требуется, но коэффициенты мощности обычно низкие (около 20%), поскольку тепло в основном требуется зимой.
Геотермальная энергия возникает из тепла, сохраненного внутри Земли с момента первоначального образования планеты, из радиоактивного распада минералов и из солнечной энергии, поглощенной на поверхности. [2] Большая часть высокотемпературного геотермального тепла собирается в регионах, близких к границам тектонических плит, где вулканическая активность повышается близко к поверхности Земли. В этих областях грунт и грунтовые воды могут иметь температуру, превышающую целевую температуру применения. Однако даже холодная земля содержит тепло. Ниже 6 метров (20 футов) ненарушенная температура земли постоянно соответствует средней годовой температуре воздуха. [3] и это тепло можно извлечь с помощью геотермального теплового насоса .
Приложения
[ редактировать ]| Страна | Производство ПДж/год | Емкость ГВ | Емкость фактор | Доминантный приложения |
|---|---|---|---|---|
| Китай | 45.38 | 3.69 | 39% | купание |
| Швеция | 43.2 | 4.2 | 33% | тепловые насосы |
| олень | 31.24 | 7.82 | 13% | тепловые насосы |
| Турция | 24.84 | 1.5 | 53% | централизованное отопление |
| Исландия | 24.5 | 1.84 | 42% | централизованное отопление |
| Япония | 10.3 | 0.82 | 40% | купание ( онсенс ) |
| Венгрия | 7.94 | 0.69 | 36% | спа/оранжереи |
| Италия | 7.55 | 0.61 | 39% | спа/отопление помещений |
| Новая Зеландия | 7.09 | 0.31 | 73% | промышленное использование |
| еще 63 | 71 | 6.8 | ||
| Общий | 273 | 28 | 31% | отопление помещений |
| Категория | ГВтч/год |
|---|---|
| Геотермальные тепловые насосы | 90,293 |
| Купание и плавание | 33,164 |
| Отопление помещений | 24,508 |
| Отопление теплицы | 7,407 |
| Обогрев пруда для аквакультуры | 3,322 |
| Промышленное использование | 2,904 |
| Охлаждение/таяние снега | 722 |
| Сельское хозяйство сушка | 564 |
| Другие | 403 |
| Общий | 163,287 |
Существует широкий спектр применений дешевого геотермального тепла, включая отопление домов, теплиц, купание и плавание, а также промышленное использование. В большинстве случаев геотермальная энергия используется в виде горячих жидкостей с температурой от 50 ° C (122 ° F) до 150 ° C (302 ° F). Подходящая температура варьируется для различных применений. При прямом использовании геотермального тепла диапазон температур для сельскохозяйственного сектора составляет от 25 °C (77 °F) до 90 °C (194 °F), а для отопления помещений — от 50 °C (122 °F) до 100 °C. С (212 ° F). [4] Тепловые трубки расширяют температурный диапазон до 5 °C (41 °F), поскольку они извлекают 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 было использовано для отопления помещений, а треть — для спа-центров. [1] Остальная часть использовалась для различных промышленных процессов, опреснения, горячего водоснабжения и сельского хозяйства. В городах Рейкьявик и Акюрейри подают горячую воду из геотермальных станций под дороги и тротуары, чтобы растопить снег. геотермальное опреснение Было продемонстрировано .
Геотермальные системы, как правило, выигрывают от эффекта масштаба , поэтому энергия для 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-Фолс , Орегон ; [9] известно как централизованное отопление . [10]
По данным Европейского совета по геотермальной энергии (EGEC), только в Европе в 2016 году действовало 280 геотермальных станций централизованного теплоснабжения общей мощностью около 4,9 ГВттепл. [11]
Добыча
[ редактировать ]Некоторые части мира, включая значительную часть запада США, подкреплены относительно неглубокими геотермальными ресурсами. [12] Подобные условия существуют в Исландии, некоторых частях Японии и других геотермальных горячих точках по всему миру. В этих районах воду или пар можно собирать из природных горячих источников и подавать по трубам непосредственно в радиаторы или теплообменники . Альтернативно, тепло может поступать из отходящего тепла, подаваемого путем когенерации геотермальной электростанции или из глубоких скважин в горячие водоносные горизонты. Прямое геотермальное отопление гораздо более эффективно, чем производство геотермальной электроэнергии, и требует менее жестких температурных требований, поэтому оно жизнеспособно в широком географическом диапазоне. Если неглубокий грунт горячий, но сухой, воздух или вода могут циркулировать через грунтовые трубы или скважинные теплообменники , которые действуют как теплообменники с грунтом.
Пар под давлением из глубоких геотермальных ресурсов также используется для производства электроэнергии из геотермальной энергии. Проект глубокого бурения в Исландии обнаружил очаг магмы на высоте 2100 метров. В скважине был построен цементированный стальной корпус с перфорацией на дне вблизи магмы. Высокие температуры и давление пара магмы были использованы для выработки 36 МВт электроэнергии, что сделало IDDP-1 первой в мире геотермальной системой, обогащенной магмой. [13]
В районах, где неглубокий грунт слишком холоден, чтобы обеспечить комфорт, он все же теплее, чем зимний воздух. Тепловая инерция неглубокого грунта сохраняет накопленную летом солнечную энергию, а сезонные колебания температуры грунта полностью исчезают на глубине ниже 10 м. Это тепло можно извлечь с помощью геотермального теплового насоса более эффективно, чем с помощью обычных печей. [10] Геотермальные тепловые насосы экономически выгодны практически в любой точке мира.
Теоретически геотермальную энергию (обычно охлаждающую) можно также получать из существующей инфраструктуры, например, из городских водопроводов. [14]
Геотермальные тепловые насосы
[ редактировать ]В регионах, где нет высокотемпературных геотермальных ресурсов, геотермальный тепловой насос (GSHP) может обеспечить отопление и охлаждение помещений. Подобно холодильнику или кондиционеру, эти системы используют тепловой насос для принудительной передачи тепла от земли к зданию. Тепло можно получить из любого источника, каким бы холодным он ни был, но более теплый источник обеспечивает более высокую эффективность. Земляной тепловой насос использует неглубокий грунт или грунтовые воды (обычно начиная с температуры 10–12 ° C или 50–54 ° F) в качестве источника тепла, тем самым используя преимущества его сезонно умеренных температур. [15] Напротив, воздушный тепловой насос извлекает тепло из воздуха (более холодный наружный воздух) и, следовательно, требует больше энергии.
В GSHP жидкость-носитель (обычно смесь воды и небольшого количества антифриза) циркулирует по закрытым петлям труб, закопанным в землю. Системы для одного дома могут представлять собой системы «вертикального контура» со скважинами глубиной 50–400 футов (15–120 м) или, [16] Если имеется достаточная земля для обширных траншей, на глубине примерно шести футов устанавливается «горизонтальное петлевое поле». Когда жидкость циркулирует под землей, она поглощает тепло из 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, продолжая цикл. Тепло, извлекаемое и вырабатываемое тепловым насосом в качестве побочного продукта, используется для отопления дома. Добавление контура отопления земли в уравнение энергии означает, что зданию можно передать значительно больше тепла, чем если бы для отопления использовалось только электричество.
Переключая направление теплового потока, ту же систему можно использовать для циркуляции охлажденной воды по дому для охлаждения в летние месяцы. Тепло отводится в относительно более прохладную землю (или грунтовые воды), а не передается горячему наружному воздуху, как это делает кондиционер. В результате тепло перекачивается через большую разницу температур, что приводит к повышению эффективности и снижению энергопотребления. [15]
Эта технология делает геотермальное 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. Глобальная мощность геотермальных тепловых насосов растет на 10% ежегодно. [1]
История
[ редактировать ]
Горячие источники использовались для купания как минимум со времен палеолита. [17] Самый старый известный спа-центр — это каменный бассейн на китайской горе Ли, построенный во времена династии Цинь в III веке до нашей эры, на том же месте, где Хуацин Чи позже был построен дворец . Геотермальная энергия обеспечивала централизованное отопление бань и домов в Помпеях около 0 лет нашей эры. [18] В первом веке нашей эры римляне завоевали Аква-Сулис в Англии и использовали местные горячие источники для питания общественных бань и полов с подогревом . [19] Плата за вход в эти ванны, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. нашли 1000-летнюю гидромассажную ванну В Исландии , построенную одним из первых поселенцев острова. [20] Старейшая 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 пара гейзера для извлечения борной кислоты из вулканической грязи в Лардерелло , Италия.
В 1892 году первая в Америке система централизованного теплоснабжения в Бойсе, штат Айдахо , работала непосредственно за счет геотермальной энергии и вскоре была скопирована в Кламат-Фолс, штат Орегон, в 1900 году. В 1926 году для обогрева теплиц в Бойсе использовалась глубокая геотермальная скважина, а также использовались гейзеры. для обогрева теплиц в Исландии и Тоскане примерно в одно и то же время. [21] Чарли Либ разработал первый скважинный 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 Зелли запатентовал идею использования его для отвода тепла из земли в 1912 году. [22] Но только в конце 1940-х годов геотермальный тепловой насос был успешно внедрен. 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 его изобретения. [22] Дж. Дональд Кроекер спроектировал 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 жилую версию с открытым контуром у себя дома 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 постепенно растет. Разработка в 1979 году полибутиленовых труб значительно повысила экономическую эффективность теплового насоса. [23] С 2000 года был проведен убедительный объем исследований, направленных на численное подтверждение преимуществ и эффективности использования CO2, альтернативы воде, в качестве теплоносителя для рекуперации геотермальной энергии из улучшенных геотермальных систем (EGS), где проницаемость подземного источника повышена. методом гидроразрыва. [26] [27] По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более миллиона геотермальных тепловых насосов, обеспечивающих тепловую мощность 12 ГВт. [28] Ежегодно около 80 000 устройств устанавливается в США и 27 000 в Швеции. [28]
Экономика
[ редактировать ]
Геотермальная энергия — это вид возобновляемой энергии , который способствует сохранению природных ресурсов. По данным Агентства по охране окружающей среды США , системы геообмена экономят домовладельцам 30–70 процентов затрат на отопление и 20–50 процентов расходов на охлаждение по сравнению с обычными системами. [29] Системы геообмена также экономят деньги, поскольку требуют гораздо меньшего обслуживания. Помимо высокой надежности, они рассчитаны на десятилетия.
Некоторые коммунальные предприятия, такие как Kansas City Power and Light , предлагают специальные, более низкие зимние тарифы для потребителей геотермальной энергии, предлагая еще большую экономию. [15]
Риски геотермального бурения
[ редактировать ]
В проектах геотермального отопления под землей прокладывают траншеи или буровые скважины. Как и при любых подземных работах, проекты могут вызвать проблемы, если геология местности плохо изучена.
Весной 2007 года была проведена разведочная геотермальная буровая операция для обеспечения геотермальным теплом мэрии Штауфен-им-Брайсгау . После первоначального погружения на несколько миллиметров происходит процесс, называемый оседанием . [30] центр города начал постепенно подниматься [31] причинив значительный ущерб зданиям в центре города, затронув многочисленные исторические дома, включая ратушу. Предполагается, что в результате бурения был пробит слой ангидрита, под высоким давлением в результате чего грунтовые воды вступили в контакт с ангидритом, который затем начал расширяться. В настоящее время конца этому восходящему процессу не видно. [32] [33] [34] Данные радиолокационного спутника TerraSAR-X до и после изменений подтвердили локализованный характер ситуации:
является геохимический процесс, называемый набуханием ангидрита Было подтверждено, что причиной этих поднятий . Это превращение минерала ангидрита (безводного сульфата кальция) в гипс (водный сульфат кальция). Предварительным условием этого преобразования является контакт ангидрита с водой, которая затем сохраняется в его кристаллической структуре. [35] Существуют и другие источники потенциальных рисков, а именно: расширение пещер или ухудшение условий устойчивости, ухудшение качества или количества ресурсов подземных вод, усиление особой опасности в случае оползнеопасных территорий, ухудшение механических характеристик скальных пород, загрязнение почвы и воды (т.е. из-за антифризных присадок или загрязняющих конструктивный и расточный материал). [36] Проект, определенный на основе геологических, гидрогеологических и экологических знаний конкретной площадки, предотвращает все эти потенциальные риски.
См. также
[ редактировать ]- Годовая геотермальная солнечная энергия
- Теорема Карно (термодинамика)
- Охлаждение глубоководного источника
- Централизованное отопление
- Геотермический градиент
- Геотермальная энергия
- Геотермальный тепловой насос
- Термальная батарея
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Фридлейфссон, Ингвар Б.; Бертани, Руджеро; Хюнгес, 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. Хомейера; Т. Триттин (ред.). Материалы обзорного совещания МГЭИК по возобновляемым источникам энергии . Любек, Германия. стр. 59–80. Архивировано из оригинала (PDF) 8 августа 2017 г.
- ^ Справочник по тепловым насосам, энергоменеджменту и энергосбережению, 2008 г. , стр. 9–3.
- ^ Среднегодовая температура воздуха
- ^ Перейти обратно: а б с Лунд, Джон В. (июнь 2007 г.), «Характеристики, разработка и использование геотермальных ресурсов» (PDF) , Ежеквартальный бюллетень Geo-Heat Center , том. 28, нет. 2, Кламат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона, стр. 1–9, ISSN 0276-1084 , заархивировано из оригинала (PDF) 17 июня 2010 г. , получено 16 апреля 2009 г.
- ^ Лунд, Джон В. (5 июня 2015 г.). «Геотермальные ресурсы во всем мире, прямое использование тепла» . Энциклопедия устойчивого развития и технологий : 1–29. дои : 10.1007/978-1-4939-2493-6_305-3 . ISBN 978-1-4939-2493-6 .
- ^ Ханания, Иордания; Ширдаун, Эшли; Стенхаус, Кейлин; Донев, Джейсон. «Геотермальное теплоснабжение» . Энергетическое образование профессора Джейсона Донева и студентов Университета Калгари . Проверено 18 сентября 2020 г.
- ^ «История использования геотермальных источников энергии в Исландии» . Университет Рочестера . Архивировано из оригинала 6 февраля 2012 г.
- ^ «Системы централизованного теплоснабжения в Айдахо» . Департамент водных ресурсов штата Айдахо . Архивировано из оригинала 21 января 2007 г.
- ^ Браун, Брайан. Геотермальные системы централизованного теплоснабжения Кламат-Фолс. Архивировано 19 января 2008 г. в Wayback Machine.
- ^ Перейти обратно: а б «Обзор основ геотермальной энергии» . Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Архивировано из оригинала 4 октября 2008 г. Проверено 1 октября 2008 г.
- ^ «Основные выводы отчета EGEC о рынке геотермальной энергии за 2016 г. (шестое издание, май 2017 г.)» (PDF) . www.egec.org . EGEC – Европейский совет по геотермальной энергии. 13 декабря 2017 г. п. 9.
- ^ Что такое геотермальная энергия? Архивировано 5 октября 2013 г. в Wayback Machine.
- ^ Уилфред Аллан Элдерс, Гудмундур Омар Фридлейфссон и Бьярни Палссон (2014). Журнал «Геотермика», Vol. 49 (январь 2014 г.) . ООО "Эльзевир"
- ^ Тадайон, Саид; Тадайон, Биджан; Мартин, Дэвид (11 октября 2012 г.). «Патент US20120255706 — Теплообмен с использованием подземной водной системы» .
- ^ Перейти обратно: а б с Госвами, Йоги Д. , Крейт, Фрэнк , Джонсон, Кэтрин (2008), с. 9-4.
- ^ «Геотермальные системы отопления и охлаждения» . Ну Менеджмент. Департамент здравоохранения Миннесоты . Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 г. Проверено 25 августа 2012 г.
- ^ Катальди, Рафаэле (август 1993 г.). «Обзор историографических аспектов геотермальной энергии в Средиземноморье и Мезоамерике до современной эпохи» (PDF) . Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра . 15 (1): 13–16. ISSN 0276-1084 . Архивировано из оригинала (PDF) 18 июня 2010 г. Проверено 1 ноября 2009 г.
- ^ Блумквист, Р. Гордон (2001). Анализ, проектирование и разработка геотермальной районной энергетической системы (PDF) . Международная летняя школа. Международная геотермальная ассоциация. п. 213(1) . Проверено 28 ноября 2015 г.
Во времена Римской империи теплая вода циркулировала по открытым траншеям для обогрева зданий и бань в Помпеях.
- Альтернативная копия: «Анализ, проектирование и разработка геотермальной районной энергетической системы» . Стэнфордский университет (Реферат).
- ^ «История геотермальной энергии в Соединенных Штатах» . Министерство энергетики США, Программа геотермальных технологий. Архивировано из оригинала 4 сентября 2007 г. Проверено 10 сентября 2007 г.
- ^ «Один горячий остров: возобновляемая геотермальная энергия Исландии» . Научный американец .
- ^ Диксон, Мэри Х.; Фанелли, Марио (февраль 2004 г.). «Что такое геотермальная энергия?» . Пиза, Италия: Istituto di Geoscienze e Georisorse. Архивировано из оригинала 9 октября 2009 г. Проверено 13 октября 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б 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.
- ^ Перейти обратно: а б Блумквист, Р. Гордон (декабрь 1999 г.). «Геотермальные тепловые насосы, четыре с лишним десятилетия опыта» (PDF) . Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра . 20 (4): 13–18. ISSN 0276-1084 . Архивировано из оригинала (PDF) 31 октября 2012 г. Проверено 21 марта 2009 г.
- ^ Кроекер, Дж. Дональд; Чунинг, Рэй К. (февраль 1948 г.). «Тепловой насос в офисном здании». АШВЕ Сделки . 54 : 221–238.
- ^ Ганнон, Роберт (февраль 1978 г.). «Тепловые насосы для грунтовых вод – отопление и охлаждение дома из собственной скважины» . Популярная наука . 212 (2): 78–82. ISSN 0161-7370 . Проверено 1 ноября 2009 г.
- ^ Браун, Д.В. (январь 2000 г.). «Концепция геотермальной энергетики из горячих сухих пород с использованием сверхкритического CO2 вместо воды» (PDF) . Материалы двадцать пятого семинара по разработке геотермальных резервуаров, Стэнфордский университет, Стэнфорд, Калифорния, 24–26 января 2000 г .: 233–238.
- ^ Атренс, AD; Гургенчи, Х.; Рудольф, В. (2009). «Термосифон CO2 для конкурентоспособной геотермальной энергетики». Энергетическое топливо . 23 (1): 553–557. дои : 10.1021/ef800601z .
- ^ Перейти обратно: а б Лунд, Дж.; Саннер, Б.; Рыбач Л.; Кертис, Р.; Хелльстрем, Г. (сентябрь 2004 г.). «Геотермальные (земляные) тепловые насосы: мировой обзор» (PDF) . Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра . 25 (3): 1–10. ISSN 0276-1084 . Архивировано из оригинала (PDF) 1 февраля 2014 г. Проверено 21 марта 2009 г.
- ^ «Консорциум геотермальных тепловых насосов, Inc» . Проверено 27 апреля 2008 г.
- ↑ The Telegraph: Геотермальный зонд затопил немецкий город (31 марта 2008 г.)
- ^ Луббаде, Йенс (15 ноября 2008 г.). «Город разрушается». Зеркальная наука (на немецком языке). Частичный перевод .
- ^ Сасс, Инго; Бурбаум, Ульрих (2010). «Ущерб историческому городу Штауфен (Германия), причиненный геотермальным бурением через ангидритсодержащие формации» . Акта Карсологика . 39 (2): 233. дои : 10.3986/ac.v39i2.96 .
- ^ Бутчер, Кристоф; Хуггенбергер, Питер; Окенталер, Адриан; Беннингер, Доминик (2010). «Одобрение геотермальных зондов с учетом риска» (PDF) . Подземные воды . 16 (1): 13–24. Бибкод : 2011Grund..16...13B . дои : 10.1007/s00767-010-0154-5 . S2CID 129598890 .
- ^ Гольдшайдер, Нико; Бектел, Тимоти Д. (2009). «Сообщение редакции: Жилищный кризис из-под земли — ущерб историческому городу в результате геотермального бурения через ангидрит, Штауфен, Германия» . Гидрогеологический журнал . 17 (3): 491–493. Бибкод : 2009HydJ...17..491G . дои : 10.1007/s10040-009-0458-7 .
- ^ «Изображение месяца TerraSAR-X: поднятие земли под старым городом Штауфена» . www.spacemart.com . SpaceDaily. 22 октября 2009 г. Проверено 23 октября 2009 г.
- ^ Де Джорджио, Джорджио; Кьеко, Микеле; Лимоны, Пьер Паоло; Суффиано, Ливия Эмануэла; Драгоне, Виттория; Романацци, Аннарита; Пальяруло, Росселла; Мьюзико, Джузеппе; Полемио, Маурицио (19 октября 2020 г.). «Совершенствование регулирования и роль знаний о природных рисках в содействии устойчивому использованию геотермальной энергии с низкой энтальпией» . Вода . 12 (10): 2925. дои : 10.3390/w12102925 . ISSN 2073-4441 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Энергоэффективность и возобновляемые источники энергии (EERE) – Программа геотермальных технологий
- Национальная лаборатория Айдахо – геотермальная энергия
- Технологический институт Орегона - Гео-тепловой центр. Архивировано 2 января 2009 г. в Wayback Machine.
- Южный методистский университет – Геотермальная лаборатория
- Программа геотермальных технологий в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии США
- Канадская коалиция GeoExchange. Архивировано 5 февраля 2014 г. в Wayback Machine.
