Практична робота 5.1 Дослідження умов використання геотермальної енергії
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 Hmin – досліджувана глибина і глибина, на якій досягається мінімально допустима температура, м;
Т – перевищення поверхневої температури на глибині Н, К;
Тmin – 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;
ρв– густина теплоносія-води, кг/м3;
св– 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 QГ – витрата геотермальної води, т/год;
tГ – температура геотермальної води в системі обігріву;
tвн і tзовн – 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, Тmin; теплоємність граніту сг = 840 Дж/(кг·К); густина граніту ρг = 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
Варіанти |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
G, K/км |
38 |
37 |
36 |
35 |
34 |
33 |
32 |
31 |
30 |
38 |
37 |
36 |
35 |
34 |
33 |
32 |
31 |
30 |
H, км |
6,0 |
6,2 |
6,4 |
6,6 |
6,8 |
7,0 |
7,2 |
7,4 |
7,6 |
7,8 |
8,0 |
8,2 |
8,4 |
8,6 |
8,8 |
9,0 |
9,2 |
9,4 |
V, м3/с |
0,9 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
1,5 |
1,6 |
1,7 |
1,8 |
1,7 |
1,6 |
1,5 |
1,4 |
1,3 |
1,2 |
1,1 |
1,0 |
0,9 |
Tmin,К |
129 |
115 |
105 |
104 |
120 |
117 |
109 |
131 |
116 |
120 |
109 |
115 |
111 |
130 |
124 |
114 |
105 |
108 |
Завдання 2.
Розрахувати згідно варіанту (табл. 2) необхідну кількість геотермальної води з температурою tГ для теплиці площею F, яка має повітряний обігрів, щоб температура всередині неї досягла tвн = 20 °С.
Таблиця 2
Варіанти |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
tГ, °С |
80 |
85 |
70 |
60 |
90 |
75 |
65 |
82 |
55 |
95 |
60 |
65 |
70 |
50 |
65 |
90 |
80 |
70 |
tзовн, °С |
1 |
-1 |
-2 |
-3 |
0 |
-5 |
-8 |
-7 |
-4 |
-9 |
1 |
-6 |
-2 |
0 |
-1 |
-3 |
2 |
-4 |
F, м2 |
350 |
400 |
250 |
200 |
220 |
300 |
460 |
320 |
340 |
380 |
220 |
410 |
200 |
310 |
250 |
260 |
340 |
240 |