как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс / Хабр
Дано: внутри Земли имеется горячее ядро, с его помощью нужно выработать электричество.
Вопрос: как это сделать?
Ответ: построить геотермальную электростанцию.
Разбираемся, как именно, откуда под землёй пар и много ли пользы от такой электростанции.
Самый старый и самый популярный на сегодняшний день метод получения электричества в промышленных масштабах — это вращение турбины генератора мощным потоком горячего пара от вскипевшей из-за принудительного разогрева воды. Если вдуматься, то и в угольной ТЭС, и в современной АЭС суть работы сводится к кипячению воды с той лишь разницей, что в ТЭС для этого сжигается уголь, а в реакторе АЭС её кипятят нагревающиеся в результате управляемой цепной реакции ТВЭЛы.
Но зачем греть воду, если в некоторых местах она поступает из-под земли уже горячей? Нельзя ли использовать её напрямую? Можно: в 1904 году итальянец Пьеро Джинори Конти запустил первый генератор, работавший от пара естественных геотермальных источников, в изобилии присутствующих в Италии.
Впрочем, чтобы обеспечить геотермальной электростанции приемлемые КПД и стоимость, нужна вода определённой температуры, находящаяся не глубже определённого уровня. Если вы захотите построить геотермальную электростанцию (скажем, на своём дачном участке), вам для начала придётся заняться бурением скважин до водоносных слоёв, где вода под огромным давлением разогревается до 150-200 °C и готова выйти на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Ну а далее, подобно электростанциям на ископаемом топливе, поступающий пар будет вращать турбину, которая приведёт в действие генератор, вырабатывающий электричество. Использовать естественное тепло планеты для получения пара — это и есть геотермальная энергетика. А теперь перейдём к деталям.
Немного о тепле Земли
Температура поверхности твёрдого ядра Земли на глубине около 5100 км равна примерно 6000 °C.
Понятный график изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1
Так называемый геотермический градиент — изменение температуры на определенном участке земной толщи, — в среднем составляет 3 °C на каждые 100 метров. То есть в шахте на глубине 1 км будет стоять тридцатиградусная жара —кто бывал в такой шахте, это подтвердит. Но в зависимости от региона температурный градиент меняется — например, в Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 км была зафиксирована температура 220 °C, а в некоторых местах планеты, у тектонических разломов и зонах вулканической активности, для достижения аналогичных температур достаточно пробурить от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 км. В американском штате Орегон геотермический градиент 150 °C на 1 км, а в Южной Африке всего 6 °C на 1 км. Отсюда вывод: где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь (перед началом работ убедитесь, что ваш дачный участок находится в подходящем месте).
Виды геотермальных электростанций
В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии имеется в наличии (скажем, в вашем ДСК), вы будете выбирать тип электростанции. Разберёмся, какие они бывают.
Гидротермальная станция
Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет понятна даже ребенку: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Всё действительно так просто, если нам повезло найти подходящий источник пара.
ГеоТЭС прямого цикла. Источник: Save On Energy
Если из имеющейся у вас в наличии скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор будет отделять пар от воды — пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины.
Если вашему дачному посёлку не повезло с горячими источниками — например, если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, — а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения.
ГеоТЭС бинарного цикла. Источник: Save On Energy
Петротермальная станция
Разогретые подземные источники — весьма редкое явление в масштабах планеты, как вы, наверное, могли заметить, что резко ограничивает потенциальную область внедрения геотермальной энергетики, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячей глубине земной коры нет воды, значит, ее нужно туда закачать.
Упрощенная схема петротермальной электростанции
Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну с поверхности будет подаваться вода, чтобы от тепла пород превратиться в пар и выйти через другую скважину. А далее процесс получения электроэнергии будет полностью аналогичен гидротермальной станции.
Естественно, соединить под землей на глубине нескольких километров две скважины нереально — вода между ними сообщается за счет разломов, образующихся в результате закачивания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв). Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.
В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.
Преимущества геотермальной энергетики
Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.
Неисчерпаемость. Электростанции на ископаемом топливе — природном газе, угле, мазуте — сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики. Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (в результате действий человека, по крайней мере). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты.
Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света — нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер — вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.
Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой — задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций.
Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.
Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 — даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной — 1340 м2.
Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.
Возможность параллельной добычи полезных ископаемых.
Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.
Недостатки геотермальной энергетики
Рабочая жидкость опасна. Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар — это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде.
Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.
Результат воздействия геотермальной воды на металлы.
При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.
Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности.
Для сравнения: ТЭС — $1000/кВт, ветряки — $1600/кВт, солнечная электростанция — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.
Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов.
Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2.
ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.
Гидротермальная комбинированная станция комплекса The Geysers в Калифорнии. И таких там 22. Источник: Wikimedia / Stepheng3
Где всё это работает и насколько это перспективно
По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Да, не геотермальная революция, но рост налицо.
Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении — и вовсе 51%! Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС.
Первая геотермальная электростанция, «Мацукава», открылась в Японии в 1966 году. Она вырабатывала 23,5 МВт, а турбину и генератор для неё произвела Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в странах Африки, где началось активное заключение контрактов и строительство ГеоТЭС. В 2015 году в Кении была открыта станция Olkaria IV, одна из четырёх, находящаяся в зоне Олкария в 120 км от Найроби, с мощностью 140 МВт. С ее помощью правительство снижает зависимость от гидроэлектростанций, сброс воды из которых часто приводит к разрушительным наводнениям.
ГеоТЭС Olkaria IV в Кении. Olkaria V и Olkaria VI планируют ввести в строй в 2021 году. Источник: Toshiba
ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.
В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.
Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт — первая бинарная ГеоТЭС в мире.
Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.
На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика — это наш задел на будущее, раскрыть потенциал которого в полной мере нам еще только предстоит.
Организация геотермального контура
В последние десятилетия в странах Европы и Северной Америки наблюдается рост интереса к альтернативным источникам тепла и кондиционирования помещений.
В некоторых случаях это связано с дороговизной и постоянным ростом цен на традиционные энергоносители (газ, нефть, уголь), в других стимулом развития энергоэффективных технологий выступает довольно жесткое экологическое законодательство, не допускающее роста вредных выбросов в атмосферу и сточные воды.
Одним из неиссякаемых источников энергии является сама Земля. Круглый год температура грунта ниже глубины промерзания остается положительной, что позволяет рассматривать эти слои земли как тепловой аккумулятор неограниченной мощности. Энергию нашей планеты с помощью теплового насоса можно использовать с максимальной эффективностью и с нулевым отрицательным воздействием на экологию окружающей среды.
Геотермальный тепловой насос — это устройство для переноса и преобразования энергии Земли в тепло. Он производит в 4-6 раз больше тепла, чем потребляет электроэнергии для этого. Например, для отопления помещения в 100 м2 достаточно теплового насоса, потребляющего всего 2 кВт электричества.
Ровно столько энергии потребляет обычный электрочайник. Тепловые насосы уже более 50 лет успешно применяются в странах Северной Европы — Швеции, Норвегии и Исландии — где чрезвычайно высокие цены на газ и нефть. Технология их использования настолько энергоэффективна и экологична, что правительства упомянутых государств субсидируют их установку в частных домах, а административные здания строятся только с геотермальной системой отопления.
В России тепловые насосы долгое время не находили себе применения. Это было связано с низкой стоимостью газа в советское время и бесплатным подводом его к жилым домам и производственных объектам. Сейчас картина диаметрально противоположна, что заставляет как частных лиц, так и владельцев предприятий, искать менее затратные способы отопления и кондиционирования помещений. И именно успешное использование геотермальных насосов в Северной Европе вызывает рост спроса на них и в нашей стране.
Рис. 1 Принцип работы геотермального теплового насоса
Технология работы геотермального теплового насоса базируется на элементарных физических законах сохранения энергии и строится на взаимодействии двух контуров:
- Первичный контур, заполненный «рассолом» (обычно пропиленгликолем), расположенный под землей на глубине ниже точки промерзания, отбирает тепло из грунта и передает его в теплообменник теплового насоса.
По мере продвижения «рассола» он разогревается до +8 oC, чего достаточно для обеспечения теплонасоса низко потенциальной энергией - Второй контур отбирает тепло у первичного, в результате чего циркулирующий в трубах фреон переходит из жидкого в газообразное состояние и впрыскивается в компрессор насоса. Там создается давление, разогревающее газ до температуры в +65 oC, после чего происходит его впрыскивание в конденсатор, где фреон преобразуется обратно в жидкость, но уже более высокой температуры, и запускается процесс теплообмена с отопительной системой помещения.
По мере продвижения «рассола» он разогревается до +8 oC, чего достаточно для обеспечения теплонасоса низко потенциальной энергиейЭффективность работы теплового насоса напрямую зависит от способа укладки первичного контура, который определяют исходя из двух основных параметров:
- Тип грунта;
- Площадь территории под первичный контур.
От типа грунта зависит значение показателя теплоотдачи от погонного метра контура. Самыми лучшими считаются территории с высоким содержанием влаги, как правило, это земельные участки с неглубоким прохождением подземных вод.
Такой грунт обеспечивает теплоотдачу на уровне 60 Вт/м. Хуже всего показатель будет в засушливых местах и в песчаном грунте — менее 25 Вт/м. Существует и усредненное значение, которое равняется 50 Вт/ми используется при расчетах в условиях отсутствии точных данных локальной геологоразведки. Естественно, чем выше показатель теплоотдачи, тем меньшей длины нужен первичный контур, и тем дешевле будет стоимость решения геотермальной системы отопления.
| Тип грунта | Теплоотдача (Вт/м) |
| Сухой песок | |
| Влажный песок | 65-80 |
| Нормальный твердый грунт | 60 |
| Глина | 35-50 |
| Известняк (массив) | 55-70 |
| Песчаник | 65-80 |
| Окисленные вулканические породы | 65-80 |
| Щелочные вулканические породы | 40-65 |
Табл.
1 Приблизительная теплотдача различных грунтов и каменных пород
От типа грунта зависит и глубина точки промерзания, хотя для этого достаточно обратиться к соответствующей справочной информации по близлежащему крупному населенному пункту. Чем глубже находится точка промерзания, тем дороже будет стоимость установки геотермально отопления дома или производственного объекта.
| Город | I | II | III | IV | V | VI | VII | VIII | IX | X | XI | XII |
| Архангельск | 4,0 | 3,5 | 3,1 | 2,7 | 2,5 | 3,0 | 4,5 | 6,0 | 7,1 | 7,0 | 6,1 | 4,9 |
| Астрахань | 7,5 | 6,1 | 5,9 | 7,3 | 11 | 14,6 | 17,4 | 19,1 | 19,1 | 16,7 | 13,6 | 10,2 |
| Барнаул | 2,6 | 1,7 | 1,2 | 1,4 | 4,3 | 8,2 | 11,0 | 12,4 | 11,6 | 9,2 | 6,2 | 3,9 |
| Братск | 0,4 | -0,2 | -0,6 | -0,5 | -0,2 | 0 | 3,0 | 6,8 | 7,2 | 5,4 | 2,9 | 1,4 |
| Владивосток | 3,7 | 2,0 | 1,2 | 1,0 | 1,5 | 5,3 | 9,1 | 12,4 | 13,8 | 12,7 | 9,7 | 6,4 |
| Иркутск | -0,8 | -2,8 | -2,7 | -1,1 | -0,5 | -0,2 | 1,7 | 5,0 | 6,7 | 5,6 | 3,2 | 1,2 |
| Магадан | -6,5 | -8,0 | -8,8 | -8,7 | -3,9 | -2,6 | -0,8 | 0,1 | 0,4 | 0,1 | -0,2 | -2,0 |
| Москва | 3,8 | 3,2 | 2,7 | 3,0 | 6,2 | 9,6 | 12,1 | 13,4 | 12,5 | 10,1 | 7,3 | 5,0 |
| Мурманск | 0,7 | 0,3 | 0 | -0,3 | -0,3 | 0,2 | 4,0 | 6,7 | 6,6 | 4,2 | 2,7 | 1,0 |
| Новосибирск | 2,1 | 1,2 | 0,6 | 0,5 | 1,3 | 5,0 | 9,1 | 11,3 | 10,9 | 8,8 | 5,8 | 3,6 |
| Оренбург | 4,1 | 2,6 | 1,9 | 2,2 | 4,9 | 8,0 | 10,7 | 12,4 | 12,6 | 11,2 | 8,6 | 6,0 |
| Пермь | 2,9 | 2,3 | 1,9 | 1,6 | 3,4 | 7,2 | 10,5 | 12,1 | 11,5 | 9,0 | 6,0 | 4,0 |
| Петропавловск- Камчатский |
2,6 | 1,9 | 1,5 | 1,1 | 1,2 | 3,4 | 6,7 | 9,1 | 9,6 | 8,3 | 5,6 | 3,8 |
| Ростов-на-Дону | 8,0 | 6,6 | 5,9 | 6,8 | 9,9 | 12,9 | 15,5 | 17,3 | 17,5 | 15,8 | 13,0 | 10,0 |
| Салехард | 1,6 | 1,0 | 0,7 | 0,5 | 0,4 | 0,9 | 3,9 | 6,8 | 7,1 | 5,6 | 3,5 | 2,3 |
| Сочи | 11,2 | 9,8 | 9,6 | 11,0 | 13,4 | 16,2 | 18,9 | 20,8 | 21,0 | 19,2 | 16,8 | 13,5 |
| Хабаровск | 0,3 | -1,8 | -2,3 | -1,1 | -0,4 | 2,5 | 9,5 | 13,3 | 13,5 | 10,9 | 6,7 | 3,0 |
| Якутск | -5,6 | -7,4 | -7,9 | -7,0 | -4,1 | -1,8 | 0,3 | 1,5 | 1,1 | 0,1 | -0,1 | -2,4 |
| Ярославль | 2,8 | 2,2 | 1,9 | 1,7 | 3,9 | 7,8 | 10,7 | 12,4 | 11,5 | 9,5 | 6,3 | 3,9 |
Табл.
2 Средняя температура (oC) грунта на глубине 1,6 м в городах РФ
От площади территории под первичный контур зависит выбор способа его укладки. На сегодняшний день существует четыре способа:
1. Горизонтальное бурение
Самый простой, но трудоемкий способ монтажа, заключающийся в снятии верхней части грунта на большой площади рядом с объектом. Как правило, снимают грунт до отметки 30-50 см ниже точки промерзания. Для каждого субъекта Российской Федерации и типа грунта эта точка находится на разной глубине — от 1,3 до 2,5 метров. Площадь «раскопок» составляет не менее 200 м2 и зависит от величины тепловой мощности, необходимой для отопления или кондиционирования объекта. В среднем на каждые 100 м2 приходится 10 кВт.
Рис. 2 Горизонтальный контур
Данный способ отличается рядом довольно существенных минусов. Во-первых, территория над первичным контуром будет полностью не пригодна для хозяйственной деятельности. Из-за довольно значительного промерзания грунта во время работы геотермального теплового насоса на этой площади нельзя выращивать деревья и даже кусты — только газонную траву.
Во-вторых, подобное решение не получится использовать в «пассивном» режиме для кондиционирования помещения в летний период. В-третьих, из-за промерзания грунта горизонтальное бурение невозможно проводить с октября по апрель на большей части территории России.
2. Вертикальное бурение
Приблизительно ниже 20 метров над уровнем грунта находится зона с практически постоянным значением положительной температуры. В северных районах России она достигает +10 oC, для южных регионов характерно значение +18 oC. На такой глубине находятся не только более твердые породы, отличающиеся лучшими показателями теплоотдачи (см. Табл.1), но и, как правило, участки с неглубоким залеганием поверхностных вод, что только положительно сказывается на эффективности работы геотермального теплового насоса.
Рис. 3 Вертикальное контур
Важным преимуществом данного метода является тот факт, что нет необходимости делать одну глубокую скважину под всю длину первичного контура.
Можно сделать несколько скважин на расстоянии друг от друга не менее 4 метров, соединенных траншеями на глубине ниже точки промерзания грунта. Суммарная длина скважин равняется заявленной в проекте длине первичного контура, который, к слову, значительно короче, чем требуется для горизонтальной укладки.
К недостаткам данного метода стоит отнести значительное воздействие на ландшафт — большое количество «грязи» при буровых работах. Тем не менее данный метод отлично подходит для организации геотермального отопления промышленных объектов и частных домов на этапе строительства.
Довольно часто на российском рынке присутствует предложение делать не вертикальную скважину, а наклонную — например, под углом 45o. Это удешевляет стоимость буровых работ, но имеет ряд негативных последствий при эксплуатации. При установлении долгого периода довольно низких температур возможно сильное вымораживание грунта, что негативно скажется на деревьях и кустарниках. В некоторых случаях, неправильный инженерный расчет может привести к разрушению фундамента здания и довольно внушительным тратам на восстановительные работы.
3. Переливной контур
Пожалуй, самый экономически выгодный и одновременно простой метод монтажа теплового насоса. Технологически похож на организацию вертикального контура с тем лишь отличием, что требуется бурения всего лишь двух скважин. Из первой скважины вода подается в испаритель геотермального теплового насоса, который отбирает ее тепло и «переливает» во вторую скважину. Единственное жесткое требование, которое надо обеспечить — это разница температур источника тепла (например, грунтовые воды) и системы отопления должна быть минимальной.
Данный метод хорошо себя зарекомендовал при условии высокого уровня грунтовых вод, обеспечивающих высокую производительность тепловой системы. Если же воды залегают глубоко и дебета скважины не хватает — требуется 2 м3 воды на 10 кВт тепла — то стоимость монтажа становится не такой конкурентно способной.
Рис. 4 Переливной контур
Главное преимущества переливного контура — это стоимость монтажа. Если для отопления загородного дома может потребоваться до 10 скважин методом вертикального бурения, то в нашем случае их количество никогда не превысить двух.
Это не только снижает стоимость проекта, но и значительно сокращает время его реализации. Тем не менее, в России этот метод применяется незаслуженно мало. Это связано с тем, что при возникновении форс-мажорной ситуации — например, прекратилась подача грунтовых вод из первой скважины — тепловой насос замораживается и образуются кристаллы льда внутри теплообменника. Это в свою очередь приводит к значительным неисправностям всей отопительной систем, как правило, в самый холодный период года. Этот «страх» отчасти верен, но применим только в случае с пластинчатыми теплообменниками. Продукция SMAGA использует трубчатые аналоги, которые не подвержены внештатному замерзанию с последующим выходом из строя.
4. Наклонное (кластерное) бурение
Если площадь участка под первичный контур сильно ограничена, и вам по каким-то причинам не подходят вертикальные скважины, то используют метод кластерного бурения, который по энергоэффективности ничуть не уступает своим «конкурентам». Он был разработан в Европе и на сегодняшний день практически все объекты, отапливаемые таким способом, находятся на территории ЕС.
Рис. 5 Наклонные (кластерные) скважины
Для организации «кластерного» первичного контура необходимо пробурить колодец глубиной около 4 метров, в котором под углом делают необходимое количество скважин глубиной до 30 метров. Вся получившаяся конструкция по форме напоминает корень дерева или куст, почему такой вид укладки первичного контура нередко называют «бурением кустом».
Для организации отопления подобным методом необходимо сделать грамотный теплофизический расчет грунта. Довольно часто, для удешевления проекта использует усредненный показатель теплоотдачи земли. Подобное допустимо для грунтов с глубоким залеганием подземных вод и слабым его насыщением влагой. Если же произошла ошибка и не было проведено геологической разведки, то зимой при сильных морозах может произойти сильное промерзание земли вокруг кластерной скважины. Это приводит в свою очередь к повышенному давлению на фундамент рядом расположенных построек и может стать причиной образования трещин в основании зданий.
Поэтому использование кластерного метода в России недопустимо без предварительного исследования грунта — довольно обширные территории нашей страны испытывают большие температурные колебания в течение года.
Важно отметить, что геотермальные системы отопления, спроектированные на основе вертикального и кластерного бурения, могут работать в «пассивном» режиме, обеспечивая кондиционирование помещения в жаркое время года. Горизонтальный способ укладки первичного контура таким преимуществом, к сожалению, похвастаться не может.
| Горизонтальной бурение | Вертикальное бурение | Переливной контур | Наклонное бурение |
|
Плюсы: — Не требуется бурение, что значительно удешевляет монтаж теплового насоса. — Зонды-коллекторы располагаются на глубине 1,5 — 2 метра. |
Плюсы: — Не требует большой площади под монтаж зонда.  — Монтаж в любое время года. — Работа в режиме «пассивное охлаждение». — Не наносит вреда растениям и кустам. — Быстрое отогревание. — Отсутствие грязи при проведении работ. |
Плюсы: — Не требует большой площади под монтаж. — Самая дешевый вариант! — Не наносит вреда растениям и кустам. — Монтаж в любое время года. — Быстрее введение проекта в эксплуатацию. — Отсутствие грязи при проведении работ. |
Плюсы: — Минимальная площадь бурения. — Монтаж в любое время года. — Работа в режиме «пассивное охлаждение». — Не наносит вреда растениям и кустам. — Быстрое отогревание. — Отсутствие грязи при проведении работ. |
|
Минусы: — Вымораживание слоя грунта над зондом-коллектором.  Гибель растений с развитой корневой системой и кустов.— Требуются большие площади под зонд. В среднем около 5 соток на каждые 10кВт тепловой мощности. — Невозможность монтажа с октября по апрель из-за промерзшего грунта. — Невозможность использования в режиме пассивного охлаждения |
Минусы: — Возможно оседание грунта в траншеях. |
Минусы: — В пластинчатых теплообменниках возможно образование льда при отсутствии должно объема воды. |
Минусы: — В случае значительного переохлаждения плохо отогреваются скважины. — Требуется бурение, но по значительно более дешевой технологии. — Дороговизна технологии. — Требуется предварительная геологическая разведка. — Возможно ограничение на использование на грунте с повышенным содержанием влаги. 
|
Табл. 3 Сравнительная таблица преимуществ и недостатков способов укладки первичного контура
Компания EcoSmaga — одна из немногих на российском рынке, которая может применять не только метод укладки горизонтального контура (как большинство конкурентов), но и активно внедряет методы переливных скважин и вертикального бурения для организации первичного геотермального контура. Наши специалисты всегда предложат вам самое оптимальное решение и только проверенные временем тепловые насосы SMAGA, обеспечивающие экологически чистой тепловой энергией уже десятки объектов на территории России. Объекты, работающие на наших решениях, есть и в зоне вечной мерзлоты Республики Саха, и в Сибирском федеральном округе, и, конечно, на территории московского региона. Мы оказываем полный комплекс услуг — от расчета проекта, до благоустройства места бурения, восстанавливая разрушенный в ходе работ ландшафт.
Внедрение геотермального теплового насоса SMAGA — это внедрение инновационных энергоэффективных технологий, отвечающих всем требованиям экологического законодательства.
Геотермальная энергия | Министерство энергетики
Перейти к основному содержаниюГеотермальная энергия — это тепло, получаемое под поверхностью земли , которое можно использовать для производства чистой возобновляемой энергии. Этот жизненно важный, чистый энергетический ресурс поставляет возобновляемую энергию круглосуточно и практически не выделяет парниковых газов — и все это требует небольшого воздействия на окружающую среду.
Министерство энергетики стремится ответственно разрабатывать, демонстрировать и внедрять инновационные технологии для поддержки дальнейшего расширения геотермальной промышленности в Соединенных Штатах.
Основы геотермальной энергии
На этих страницах вы найдете полезные публикации, программное обеспечение и веб-сайты для геотермального сообщества и заинтересованных сторон.
ПОСМОТРЕТЬ БОЛЬШЕ
ИНФОГРАФИКА: изучение геотермальной энергии
Новая форма геотермальной энергии имеет большой потенциал для энергетического будущего Америки.
Наша новая инфографика раскрывает это.
ПОСМОТРЕТЬ БОЛЬШЕ
Усовершенствованные геотермальные системы
Узнайте об исследованиях Департамента энергетики по усовершенствованным геотермальным системам (EGS).
ПОСМОТРЕТЬ БОЛЬШЕ
Офис геотермальных технологий
Домашняя страница Geothermal
Учить больше
10 вещей, которые вы не знали об усовершенствованных геотермальных системах
США производят больше электроэнергии за счет геотермальной энергии, чем любая другая страна в мире. Узнайте о революционной технологии, которая может помочь расширить использование этого возобновляемого источника энергии.
Учить больше
Как работает усовершенствованная геотермальная система
Усовершенствованные геотермальные системы (EGS), также иногда называемые инженерными геотермальными системами, предлагают большой потенциал для значительного расширения использования.
..
Учить больше
Поездка через геотермальную границу
И они поехали! Спустя более года после объявления о доступном финансировании, проектные группы выбрали нашу Frontier Observatory for Rese 9.0003
Учить больше
Картирование геотермального теплового потока и существующих электростанций
Ознакомьтесь с нашей интерактивной картой, чтобы узнать о геотермальной энергии, растущем источнике чистой, возобновляемой энергии в Америке.
Учить больше
Департамент энергетики получает награду за первый в своем роде геотермальный проект Что ж.
Учить больше
Как система WaterFurnace обеспечивает геотермальное отопление, геотермальное охлаждение и горячую воду для вашего дома.
Кнопка воспроизведения В каком бы климате вы ни жили, температура в течение года меняется.
Для некоторых климатических условий это означает жаркое лето, переходящее в холодную зиму. Чего многие люди не понимают, так это того, что температура под землей (независимо от климата или времени года) остается довольно постоянной в течение всего года. В то время как температура воздуха может сильно варьироваться от дня к ночи или от зимы к лету, температура всего в нескольких футах от поверхности земли остается в среднем 55-70°F круглый год.
Земля способна поддерживать постоянную температуру, потому что она поглощает 47% солнечного тепла, когда оно попадает на поверхность Земли. Геотермальные системы WaterFurnace могут использовать эту свободную энергию с помощью ряда подземных труб, называемых контуром заземления. Эта технология используется для обеспечения вашего дома или офиса доступом к бесконечному источнику энергии для отопления, кондиционирования воздуха и горячего водоснабжения.
15
Температура воздуха
55
Земля
Температура
Когда наружная температура падает, GHP забирает тепло из подземного резервуара, концентрирует его и перемещает в ваш дом. Между тем, обычный тепловой насос собирает тепло из холодного зимнего воздуха, что делает его наименее эффективным, когда вам это нужно больше всего. И, в отличие от печи, геотермальные установки не выделяют тепло за счет сгорания. Они просто собирают и перемещают его.
arrow_red_downarrow_red_downarrow_red_down 80
Температура воздуха
55
Земля
Температура
По мере повышения наружной температуры GHP собирает нежелательное тепло в вашем доме и перемещает его в более прохладную землю.
Обычные тепловые насосы и кондиционеры выбрасывают это тепло наружу, но, к сожалению, жаркий летний воздух уже насыщен теплом и меньше готов принять больше. Это делает обычные системы охлаждения наименее эффективными, когда они вам нужны больше всего.
Во время работы блок WaterFurnace может улавливать тепло, которое обычно уходит в отходы, и направлять его в бак водонагревателя (с помощью дополнительного компонента, называемого пароохладителем). Ваш агрегат может производить до 50 % горячей воды практически бесплатно. Для больших объемов горячей воды мы также предлагаем специальные гидромодули.
Узнайте больше о гидроагрегатах
В геотермальной системе используются трубы малого диаметра из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП), закопанные под землю, называемые «петлей». В контуре циркулирует вода для перемещения тепловой энергии в ваш дом и обратно. Это сердце геотермальной системы и ее самое большое преимущество перед обычными тепловыми насосами, кондиционерами и печами, работающими на ископаемом топливе.
Тип петли зависит от доступного пространства, состава грунта и затрат на установку для конкретных областей.
- Горизонтальные петли
Горизонтальные петли, используемые там, где имеется достаточно земли, включают одну или несколько траншей, вырытых с помощью экскаватора или цепного траншеекопателя. Вставляют трубы из полиэтилена высокой плотности и засыпают траншеи. Типичный дом требует от 1/4 до 3/4 акра для траншей.
- Вертикальные петли
Вертикальные петли используются, когда пространство ограничено. С помощью буровой установки сверлятся отверстия, и в отверстия вставляется пара труб со специальными U-образными фитингами. Типичный дом требует от трех до пяти отверстий с расстоянием между отверстиями около 15 футов.
- Петли для пруда/озера
Если рядом с вашим домом находится водоем подходящего размера, можно установить петлю для пруда.
