Практична робота 5.1 Дослідження умов використання геотермальної енергії

Скачати

ПРАКТИЧНА РОБОТА 5

ДОСЛІДЖЕННЯ УМОВ ВИКОРИСТАННЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОЇ ЕНЕРГІЇ

Середній потік геотермального тепла через поверх­ню землі складає приблизно 0,06 Вт/м² за температурного градієн­та до 30°С/км. У деяких районах землі потоки геотермального тепла досягають до 10-20 Вт/м², що дає змогу встановити геотер­мальні електростанції ГеоТЕС.

Доцільно перетворю­вати геотермальне тепло в електроенергію, якщо температура отриманого з надр Землі теплоносія перевищує 150 °С. Геотермальну енергію доцільно використовувати як для ви­робництва електроенергії, так і для опалювання. Якщо темпера­тура теплоносія буде 300 °С і більше, то в цьому випадку доціль­но виробляти електроенергію. За менших температур – доцільно використовувати геотермальну енергію у вигляді тепла, з засто­суванням його безпосередньо в місцях видобування. Теплова стан­ція потужністю 100 МВт може забезпечити населений район пло­щею до 400 км² зі споживанням тепла до 2 кВт на окрему забудо­ву (наприклад, в Ісландії).

Масштаби використання геотермальної енергії обмежені ви­тратами на спорудження свердловин, вартість яких зростає зі збільшенням їх глибини. У той же час температура зростає з гли­биною, а виробництво енергії збільшується з ростом температу­ри, то на практиці оптимальною вважається глибина свердлови­ни до 5 км.

Кора Землі отримує тепло від таких джерел: природного охолодження ядра; радіоактивного розпаду елементів; хі­мічних реакцій. Два останніх джерела є найбільш суттєвими.

Визначають три класи геотермальних районів.

Гіпертермальний. Температургий градієнт вище 80°С/км. Майже всі існуючі ГеоТЕС розміщені в таких районах.

Напівтермальний. Температурний градієнт від 40 до 80°С/км. Тепло одержують від природних водоносних пластів або роздріб­нених сухих порід, в основному для опалювання будинків.

Нормальний. Температурний градієнт менше 40°С/км. Це найбільш розповсюджені райони, з тепловими потоками 0,06 Вт/м². В таких районах добування тепла економічно не виправдане.

Найперспективнішими обла­стями геотермального тепла є Чернігівська, Полтавська, Харків­ська, Херсонська, Львівська, Івано-Франківська, Закарпатська, а також Кримський півострів.

Теплову енергію в районах названих класів добувають внаслі­док:

- природної гідротермальної циркуляції, за якої вода в глибин­них породах перетворюється в суху пару або просто нагрівається до високої температури. В результаті пароутворення зростає тиск, і як наслідок, утворюються гейзери з фонтанами гарячої води (Нова Зеландія, Камчатка);

- штучного перегріву, пов’язаного з охолодженням виверже­ної з надр магми, яка перетворюється у застиглу лаву (станція потужністю 3 МВт на Гавайях);

- охолодження сухих теплоємних скальних порід (наприклад, граніту). Створивши штучні канали в породах, можна пропус­кати через них воду і відбирати тепло.

Системи для добування теплоти поділяють на три основні групи:

- з природними рухомими теплоносіями (тер­мальні води, пара, газ, магма), які виходять на земну поверхню під дією власного природного напору;

- з техногенними (нагнітання речовини в горизонти) тепло­носіями. У цьому випадку нагрівання теплоносія здійснюють в при­родних або штучних породах-теплообмінниках. Циркуляція теп­лоносія здійснюється за допомогою системи помп;

- без рухомих теплоносіїв. До них відносять системи перене­сення теплоти у теплопровідних каналах, трансенергетичні си­стеми з напівпровідниковими батареями і хімічними реакторами.

1) Енергетичний запас геотермальної енергії на певній глибині визначається за формулою:

, Дж/м²

де ρ – густина породи, з пластів якої добувають енергію, кг/м³;

     с – теплоємність породи, Дж/(кг·К);

     H і H_min – досліджувана глибина і глибина, на якій досягається мінімально допустима температура, м;

     Т – перевищення поверхневої температури на глибині Н, К;

     Т_min – мінімально допустиме перевищення поверхневої температури, К.

Перевищення поверхневої температури на глибині Н буде визначатись як , .

Тривалість використання джерела теплоти:

, с

де F – площа території, з якої відбирається енергія, м²;

     V – витрати теплоносія-води, м³/с;

     ρ_в– густина теплоносія-води, кг/м³;

     с_в– теплоємність теплоносія-води, Дж/(кг·К); 4190

Потужність теплового потоку:

- на початковому етапі:

, МВт/км² (t – в секундах)

- через n років:

, МВт/км² (t – в роках)

2) Розрахунок площі приміщення, яке можна обігріти за допомогою термальної води здійснюється за формулою:

,

де Q_Г – витрата геотермальної води, т/год;

      t_Г – температура геотермальної води в системі обігріву;

      t_вн і t_зовн – температури всередині приміщення і зовні.

Завдання 1.

Розрахувати згідно варіанту (табл. 1) енергетичний запас сухої скальної породи (граніт) до глибини Н км, якщо температур­ний градієнт G, К/км, мінімально допустиме перевищення поверхневої температури, Т_min; теплоємність граніту с_г = 840 Дж/(кг·К); густина граніту ρ_г = 2300 кг/м³. Чому дорівнює тривалість використання джерела теплоти з використанням теплоносія – води з витратою V, м³/с? Яка швидкість видобуван­ня тепла на початковому етапі і через 10 та 30 років?

Таблиця 1

Завдання 2.

Розрахувати згідно варіанту (табл. 2) необхідну кількість геотермальної води з температурою t_Г для теплиці площею F, яка має повітряний обігрів, щоб температура всередині неї досягла t_вн = 20 °С.

Таблиця 2

Скачати