Геотермальна енергетика

Геотермальна енергія - це енергія у формі тепла, що акумулюється нижче поверхні "твердої" Землі. У 1 л "внутрішнього простору" Землі накопичено у середньому 2,6 кВт енергії. За рахунок теплоємності Землі люди могли б на ЗО млн років задовольнити сучасні світові потреби в енергії. Отже, накопичені в Землі запаси енергії є такими ж невичерпними, як і запаси енергії Сонця.

Геотермальна енергія - це тепло Землі, яке утворюється переважно внаслідок розпаду радіоактивних речовин у земній корі та мантії. Температура земної кори углиб підвищується на 2,5- З °С через кожні 100 м (так званий геотермальний градієнт). Так, на глибині 20 км вона досягає близько 500 °С, на глибині 50 км - 700-800 °С. У певних місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках", температурний градієнт вище майже у 10 разів: на глибині 500-1000 м температура порід сягає 3000 °С. Однак для нормального використання геотермальних енергоресурсів достатньо значно менших температур.

Усю природну теплоту, яка міститься у земній корі, можна розглядати як геотермальні ресурси двох видів: по-перше, це пара, вода, газ; по-друге, це розігріті гірські породи. Гідротермальні джерела енергії поділяють на термальні води, пароводяні суміші і природну пару. Для отримання теплоти, акумульованої у надрах Землі, її спочатку треба підняти на поверхню. Для цього закладають свердловини і, якщо температура висока, то вода піднімається на поверхню природним чином; за нижчої температури може знадобитися насос.

Геотермальні води - екологічно чисте джерело енергії, що постійно відновлюється. Воно суттєво відрізняється від інших альтернативних джерел енергії тим, що його можна використовувати незалежно від кліматичних умов, погоди і пори року. За температурою геотермальні води поділяють на слаботермальні - до 40 °С, високотермальні - 60-100 °С, перегріті - понад 100 °С. Також вони різняться за мінералізацією, кислотністю, газовим складом, тиском і глибиною залягання.

Є два типи геотермальних електростанцій (ГеоТЕС): перші для генерування струму використовують пару, другі - перегріті геотермальні води. У перших суха пара зі свердловини надходить у турбіну або генератор для вироблення електроенергії. На станціях другого типу використовуються геотермальні води температурою понад 190 °С. Вода природним чином підіймається вгору свердловиною, подається у сепаратор, де внаслідок зменшення тиску частина ЇЇ кипить і перетворюється на пару. Пара спрямовується у генератор або турбіну і виробляє електрику. Це найбільш поширений тип ГеоТЕС.

Значні масштаби розвитку геотермальної енергетики у майбутньому можливі лише за умов одержання теплової енергії безпосередньо з гірських порід. У цьому випадку в місцях, де знайдено сухі гарячі скельні породи, закладають паралельні свердловини, між якими утворюють систему тріщин. Тобто фактично формується штучний геотермальний резервуар, у який подається холодна вода з подальшим отриманням пари або пароводяної суміші.

Загалом геотермальна енергія Землі оцінюється потужністю близько 32 тис. ГВт. її значні виходи на поверхню локалізовані в районах вулканічної активності, де концентрація підземного тепла дуже велика. Якщо комплекс пористих та проникних гірських порід виявиться розташованим біля приповерхневого магматичного тіла, котре увійшло в континентальну кору, то виникає підземний резервуар пари та води, нагрітих магмою. Гарячі вода і пара, що є в порах порід, формують так звані "геотермальні басейни". Якщо такий "басейн" містить проникні гірські породи, то гаряча вода і пара можуть виходити на поверхню через свердловини та використовуватися для приведення у дію електричних турбін. Оскільки пара більш придатна для енергогенеруючих турбін, то поки освоюються здебільшого ті геотермальні басейни, які містять пару.

За сучасними оцінками, геотермальна енергія, акумульована у перших 10 км земної кори, досягає 137 трлн т умовного палива, що у 10 разів перевищує геологічні ресурси усіх видів палива, разом узятих. З усіх видів геотермальної енергії найкращі економічні показники мають гідрогеотермальні ресурси - термальні води, пароводяні суміші і природна пара. Гідрогеотермальні ресурси, які практично використовуються на сьогодні, становлять лише 1 % від загального теплового запасу надр. Досвід показав, що перспективними варто вважати ті регіони, де зростання температури з глибиною відбувається досить інтенсивно, колекторські властивості гірських порід дозволяють одержувати з тріщин значні кількості нагрітої води чи пари, а мінеральний склад термальних вод не створює додаткових труднощів (на кшталт боротьби з відкладеннями солей і корозією устаткування).

Аналіз економічної доцільності широкого використання термальних вод показує, що їх варто застосовувати для опалення і гарячого водопостачання комунально-побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, для технологічних цілей, добування цінних хімічних компонентів та ін. Гідрогеотермальні ресурси, придатні для одержання електроенергії, становлять 4 % від загальних прогнозних запасів, тому їх використання у майбутньому варто пов'язувати з теплопостачанням і теплофікацією місцевих об'єктів. До категорії гідротермальних конвективних систем належать підземні басейни пари чи гарячої води, які виходять на поверхню землі, утворюючи гейзери, фумароли, грязьові озера тощо. їх використовують для виробництва електроенергії за допомогою пари, яка утворюється при випаровуванні гарячої води на поверхні.

Іншим способом виробництва електроенергії на базі високо-та середньотемпературних геотермальних вод є застосування двоконтурного (бінарного) циклу. При цьому вода, отримана з басейну, використовується для нагрівання теплоносія другого контуру (фреону чи ізобутану), котрий має меншу температуру кипіння. Установки, що використовують фреон як теплоносій другого контуру, працюють у діапазоні температур 75-150 °С при одиничній потужності 10-100 кВт.

Крім цього, на сьогодні розроблені і застосовуються різні методи і технології використання геотермальної енергії, зосередженої як недалеко від поверхні землі (приповерхнева геотермія), так і на значних глибинах (глибинна геотермія).

Розвиток водневої енергетики стимулював дослідження у галузі паливних елементів. Паливний елемент (ПЕ) - це електрохімічний генератор, який забезпечує пряме перетворення хімічної енергії на електричну. Такі перетворення відбуваються і у звичних електричних акумуляторах. Однак паливні елементи мають дві важливі відмінності: по-перше, вони функціонують доти, доки паливо (відновник) та окисник надходять із зовнішнього джерела; по-друге, хімічний склад електроліту в процесі роботи не змінюється, тобто паливний елемент не треба перезаряджати.

Уперше про можливість створення ПЕ у 1839 р. повідомив англійський хімік-аматор, приятель М. Фарадея, В. Гроув. Спостерігаючи процес електролізу води у розчинах сірчаної кислоти, він виявив, що після відключення зовнішнього струму в електролітичній комірці генерується постійний струм. Однак ці висновки В. Гроува не знайшли обґрунтування у подальших дослідженнях. Свій електрохімічний пристрій він, за пропозицією М. Фарадея, назвав "газовою батареєю". Назву "паливний елемент" цей пристрій одержав лише через 50 років завдяки Людвігу Монде (хімік-аматор, бізнесмен, співзасновник відомої фірми Imperial Chem. Industries).

Інтерес до ПЕ знову відродився на початку 50-х років XX ст. після публікації монографії російського вченого, співробітника Московського нафтового інституту O.K. Давтяна, що була присвячена проблемам безпосереднього перетворення хімічної енергії палива в електричну. Зацікавленість водневою енергетикою виникла в часи активного освоєння космічного простору. У 60-ті роки минулого століття були створені ПЕ потужністю до 1 кВт для американських програм "Джеміні" та "Аполлон", у 80-ті - на 10 кВт для "Шаттла" та радянського "Бурану". Тоді ж було збудовано електростанції потужністю 100 кВт на фосфорно-кислотних ПЕ. В Японії і США є дослідні електростанції на 10 МВт. Від 1990-х років і донині триває розробка ПЕ потужністю від 1 кВт до 10 МВт для стаціонарної автономної енергетики. Крім того, розробляються портативні джерела електроенергії (потужністю менше 100 Вт) для комп'ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо. Як паливо у них використовується спирт метанол, з якого одержують водень.

Вартість паливних елементів досить висока: 1 кВт встановленої потужності у кращих зразках коштує 1-3 тис. дол. США. Потрібно знизити вартість 1 кВт до 100 дол., щоб зробити їх конкурентоспроможними для транспорту. Розробки електрохімічних енергоустановок на основі ПЕ з твердополімерним електролітом активно здійснюють у США, Німеччині, Росії, Японії, Канаді та багатьох інших країнах. Особливо актуальним нині є впровадження паливних елементів на транспорті, який перетворює міста на великі "газові камери". Наприклад, компанія "Даймлер Крайслер" провела успішні дорожні випробовування автомобіля КЕСАК-5 на базі "Мерседеса" класу А з паливними елементами на водні. Електромобіль розрахований на п'ять осіб, максимальна його швидкість - 145 км/год, а викидів в атмосферу майже немає. У цій моделі використано ПЕ, принцип дії якого ґрунтується на реакції окиснення водню на мембранному каталізаторі з утворенням води і генеруванням електричного струму.

Сьогодні технічно і технологічно добре опрацьовані методи газифікації вугілля, а це означає, що ПЕ можливо включити і до ланцюгів виробництва електроенергії з твердого викопного палива. Таким чином, широке впровадження паливних елементів дасть змогу не тільки знизити темпи витрачання запасів газу, нафти і вугілля, а й значно зменшити забруднення довкілля.

Заслуговують на увагу проекти щодо комплексного використання атомної і водневої технологій. Однією з проблем уранового ядерного циклу під впливом повільних, а тим більше швидких, нейтронів є ефективне відбирання тепла, необхідного, крім іншого, для усунення небезпеки некерованого продовження процесу. Атомна технологія має значні недоліки порівняно, наприклад, із гідроенергетикою, не передбачає оперативне регулювання відбирання енергії. Пропозиції щодо використання тепла першого парового контуру для електролізу води і накопичення водню і кисню перед паливним елементом, як і пропозиція використання тепла у першому гелієвому циклі для конверсії метану і накопичення синтез-газу, малоперспективні. Водночас розвиток ідей, що включають справді комплексну технологію, за якою процес конверсії відбувається безпосередньо в активній зоні ядерного реактора, дозволяє сподіватись, що буде вирішене й питання максимально безпечного та ефективного керування процесом.

Отже, водень можна вважати паливом майбутнього. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізнесових структур. Основною метою розвитку водневих технологій є зниження залежності від традиційних енергоносіїв - нафти, газу і вугілля. Ключовою умовою переходу до водневої енергетики є пошук і створення надійних та економічно доцільних паливних елементів на основі водню.

Зробимо деякі висновки щодо альтернативної енергетики як головного шляху подолання сучасної енергетичної і екологічної кризи. Основною перевагою використання відновних джерел енергії (ВДЕ) є їхня невичерпність та екологічна чистота, що сприяє поліпшенню екологічного стану і не призводить до зміни енергетичного балансу планети. Дослідження, виконані під егідою ООН, демонструють, що частка ВДЕ у світовому балансі споживання первинних енергоресурсів до 2050 р. становитиме близько 50 %.

У 2008 р. відбулося багато подій у сфері альтернативної енергетики. Різкий стрибок нафтових цін наприкінці 2007 - у першій половині 2008 р. змусив розвинуті країни серйозніше поставитися до потреби переорієнтації своїх енергетичних систем на ВДЕ. З іншого боку, кліматологи вказують, що глобальне потепління вимагає подальших досліджень, але вже стало занадто очевидним фактом: другий рік поспіль відкривається Північно-Західний прохід - вільний від льоду морський шлях із Атлантики у Тихий океан вздовж північного узбережжя Канади. Так само очевидним фактом став "внесок" людини у зміни клімату - дослідження показали, що концентрація вуглекислого газу в атмосфері нині сягнула піку за останні 800 тис. років.

З урахуванням цього, звернення до альтернативної енергетики цілком логічне: навіть якщо врахувати, що сьогодні енергія, отримана із цих джерел, у 2-5 разів дорожча від отриманої за допомогою спалювання вуглеводнів, то перспектива мати планету, яка нагрівається нарешті підштовхнула політиків, насамперед у ЄС, до серйозних рішень. На виборах у США взагалі переміг кандидат, який пообіцяв за допомогою об'ємних надходжень у "зелену" економіку ліквідувати безробіття і вивести країну до економічного процвітання.

Журнал Wired (науково-популярний журнал, присвячений новинкам техніки та електроніки, науковим дослідженням, інноваціям тощо), підсумовуючи розвиток "зелених" енергетичних технологій у 2008 p., встановив їх "гарячу" десятку. Перше місце посідає нова технологія виробництва цементу, продемонстрована компанією Calera. Зазвичай виробництво цементу вимагає чималої кількості тепла, одержуваного за допомогою спалювання палива, і призводить до виділення значної кількості вуглекислого газу (приблизно 1 т газу на 1 т цементу). Каталітична технологія, розроблена у Calera, не тільки істотно знижує споживання тепла, а й передбачає використання самого вуглекислого газу як матеріалу для виробництва. Одна тонна нового цементу здатна "поглинути" півтонни вуглекислого газу. З огляду на те, що світові обсяги виробництва цементу обчислюються мільярдами тонн, то впровадження такої нової технології дозволить значно скоротити навантаження на клімат.

Біоенерге́тика — галузь електроенергетики, заснована на використанні біопалива, яке створюється на основі використання біомаси.

До біомаси відносять усю рослинну і вироблену тваринами субстанцію. При використанні біомаси в енергетичних цілях для виробництва тепла, електроенергії і палива, розрізняють енергетичні рослини і органічні відходи.
Енергетичними рослинами вважаються:

— швидко зростаючі сорти дерев і спеціальні однорічні рослини з високим вмістом сухої маси для використання як твердого палива;

— цукро- та крохмалевмісні польові культури для переробки в етанол, а так само маслянисті культури для виробництва біодизеля для застосування як рідкого палива;

— польові культури, придатні для силирування і використання у виробництві біогазу.
До органічних відходів відносяться відходи, що виникають в сільському, лісовому, домашньому господарстві і промисловості: відходи деревообробки, солома, трава, листя, гній, шлам, органічні відходи домашнього господарства і т. д.
До біогенного твердого палива відносяться усі не викопні види палива органічного походження, які до моменту їх використання знаходяться в твердому стані, як наприклад: деревина усіх видів і у будь-якій формі, солома, макуха, зерно, кукурудза, злаки, цукровий буряк, рапс, рослинні олії, біологічні відходи, экскріменти, водорості і т. д.
Виробництво електроенергії і тепла з твердої біомаси на сьогодні здійснюється в основному шляхом спалювання в твердопаливних котлах, з отриманням пари високого тиску. Цей процес здійснюється за допомогою біомасових енергетичних установок. Розрізняють відповідно:
— біомасові котельні — установки що виробляють тільки тепло;
— біомасові теплоелектроцентралі (Біо-ТЕЦ) — виробляють разом з теплом ще і електрику.

Щорічно приріст біомаси у світі оцінюється в 200 млрд т (в перерахунку на суху речовину), що енергетично еквівалентно 80 млрд т нафти. Одним із джерел біомаси є ліси. При переробці ділової деревини 3-4 млрд т складають відходи, енергетичний еквівалент яких становить 1,1-1,2 млрд т нафти. Світова потреба в енергії (11 млрд т у.п.) становить тільки 12% енергії щорічного світового приросту біомаси. Частка і кількість біомаси, використовуваної для одержання енергії, постійно знижується, що можна пояснити порівняно низькою теплотою згоряння біомаси, унаслідок високого вмісту в ній води.

Поиск по сайту: