Геотермальная электростанция

Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС, Geothermal power plants) - вид электростанции, которая вырабатывает электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров).

Геотермальная энергия - это энергия, получаемая из природного тепла Земли.
В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров.
Преимущества геотермальной энергии:

• практическая неиссякаемость,
• полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года,
• компактность ЭС.

Достичь тепла Земли можно с помощью скважин.
Геотермический градиент в скважине возрастает на 1°C каждые 36 м.
Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды.
Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии.
По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет минимум 6 650°C.
Скорость остывания Земли примерно равна 300-350°C в миллиард лет.
Земля выделяет 42·10¹² Вт тепла, из которых 2% поглощается в коре и 98% - в мантии и ядре.

Рост генерации геотермальной энергии в мире:

• 2007 г. - 9,7 ГВт.;
• 2018 г. - более 14,3 ГВт;
• 2019 г.- 13, 9 ГВт.

В 2021 г. Министерство энергетики США подсчитало, что электроэнергия ГеоЭС стоит около 0,05 долл США/ кВт·ч.

Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840 млрд Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время.

Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Конструкция ГеоЭС

• Эксплуатационные скважины:
• скважины бурятся в геотермальных резервуарах для извлечения горячей воды или пара из-под поверхности Земли,
• располагаются в геотермальных точках или вблизи них, где тепло Земли легко доступно,
• могут быть глубокими (несколько километров),
• предназначены для добычи из находящихся под давлением геотермальных резервуаров, содержащих высокотемпературные жидкости или пар. Добытая геотермальная жидкость транспортируется на ГеоЭС ​​по трубопроводам;
• Скважины для обратной закачки:
• используют для закачивания отработавшей геотермальной жидкости обратно в землю, чтобы поддерживать пластовое давление и обеспечивать устойчивость геотермальных ресурсов,
• размещаются вблизи эксплуатационных скважин для возврата использованной жидкости в тот же геотермальный резервуар,
• бурятся глубоко в землю для повторного ввода охлажденной или сконденсированной жидкости;
• Система сбора геотермальной жидкости:
• обеспечивает сбор и транспортировку геотермальной жидкости из эксплуатационных скважин в теплообменники или турбины завода,
• материалы и оборудование: трубопроводы, насосы и регулирующие поток и давление жидкости клапаны,
• сепараторы для отделения пара от воды перед его поступлением в турбину или теплообменник;
• Теплообменник :
• горячая геотермальная вода или пар пропускается через теплообменник для передачи своей тепловой энергии вторичной рабочей жидкости,
• рабочая жидкость в теплообменнике испаряется и приводит в движение турбину. В ГеоЭС с бинарным циклом для эффективной передачи тепла используется вторичная жидкость с более низкой температурой кипения, чем вода (например, изобутан),
• теплообменник позволяет геотермальной жидкости и рабочей жидкости не смешиваться, что исключает необходимость прямого контакта рабочей жидкости с геотермальной водой;
• Турбина и генератор:
• пар или испаренная рабочая жидкость приводит в движение турбину, соединенную с генератором, для выработки электроэнергии,
• турбина обычно представляет собой паровую турбину на ГеоЭС, работающих на паре мгновенного или сухого пара, или турбину бинарного цикла на электростанциях, использующих вторичную жидкость,
• пар, расширяясь через лопатки турбины, вращает турбину, соединённую с генератором. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую;
• Конденсатор:
• обеспечивает конденсацию пара для закачки в геотермальный резервуар или для повторного использования в системе,
• нередко охлаждает пар, используя воду из внешнего источника (реки, озера или градирни),
• в установках с вторичным испарением или сухопаровых установках пар конденсируется в конденсаторе, а образующаяся вода возвращается в систему охлаждения для повторного использования. В установках с бинарным циклом вторичная рабочая жидкость также конденсируется перед повторным использованием в теплообменнике;
• Система охлаждения:
• необходима для снижения температуры пара после его использования в турбине,
• 2 основных типа систем охлаждения: влажное охлаждение: используется градирня, в которой циркулирует вода, поглощает тепло из конденсатора и испаряется в атмосферу; сухое охлаждение: использует конденсаторы с воздушным охлаждением, в которых воздух поглощает тепло из пара, обычно в районах с ограниченными водными ресурсами,
• снижает температуру геотермальной жидкости или пара, обеспечивая их готовность к повторной закачке или использованию на станции;
• Электрические подстанции и линии электропередачи:
• подстанция (ПС) повышает напряжение электроэнергии, вырабатываемой электростанцией, чтобы ее можно было передавать на большие расстояния по линиям электропередачи (ЛЭП) в сеть;
• Диспетчерская:
• размещены системы управления, которые контролируют и управляют всем процессом генерации электроэнергии,
• место работы операторов, которые обеспечивают мониторинг работы ГеоЭС в режиме реального времени и регулировки настроек для оптимизации производительности, управления аварийными ситуациями и обеспечения безопасной и эффективной работы.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

• прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами;

• непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

• смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

Опыт Исландии

Термальные регионы имеются во многих частях мира.
Благодаря своему расположению на нестабильном участке Срединно-Атлантического хребта Исландия является мировым лидером в использовании геотермальной энергии.
Из шести геотермальных электростанций в Исландии Хеллишейди является самой новой и самой большой.
Введенная в эксплуатацию в 2010 г., она расположена на мшистых склонах вулкана Хенгилл на юго-западе страны.
Обычно пейзаж зеленый и спокойный, но геологическая активность под ним зашкаливает.
Чтобы получить доступ к потенциальной энергии под поверхностью, скважины бурят на тысячи метров в землю, проникая в резервуары с водой под давлением.
Нагреваемая энергией Земли, эта вода может иметь температуру более 300 ° C.
При выпуске она вскипает из скважины, частично превращаясь в пар на своем пути.
В Хеллишейди пар отделяется от воды для питания некоторых из 7 турбин станции, в то время как оставшаяся вода дополнительно сбрасывается, чтобы создать больше пара, используемого для питания других турбин.
При максимальной мощности станция может вырабатывать 303 МВт электроэнергии, что делает ее одной из 3 крупнейших геотермальных электростанций в мире.
После извлечения пара оставшаяся геотермальная вода направляется в теплообменник, где используется для нагрева пресной водопроводной воды.
По 26-км трубопроводу до г. Рейкьявика подается горячая вода при температуре около 80 ° C.
Естественный наклон горы позволяет воде течь естественным путем.
Труба хорошо изолирована и вода поступает в город, теряя температуру всего на 1° C.

ГеоЭС в России

В России перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны, в тч. Камчатка, Курильские острова.
Развитие геотермальной энергетики в РФ идет неспешно.
В 2015 г. на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.
В СССР 1^я геотермальная электростанция - Паужетская ГеоЭС.

• построена в 1966 г. на Камчатке, в долине р. Паужетка;
• мощность - 11 МВт;

На Мутновском месторождении термальных вод 29 декабря 1999 г. запущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт (на 2004 г.).
10 апреля 2003 г. запущена в эксплуатацию 1^я очередь Мутновской ГеоЭС.

• установленная мощность на 2007 г. - 50 МВт.
• планируемая мощность станции составляет 80 МВт.
• выработка в 2007 г. - 360,687 млн кВт·ч.
• полностью автоматизирована.

2002 г. - введен в эксплуатацию 1^й пусковой комплекс Менделеевская ГеоТЭС мощностью 1,8 МВт в составе энергомодуля Туман-2А и станционной инфраструктуры.