Сучасні розробки у галузі енергозабезпечення

За останні десять років кількість систем, що використовують для теплопостачання і будівель низькопотенційне тепло землі за допомогою теплових насосів, значно збільшилася. Найбільше число таких систем використовується в США. Велике число таких систем функціонують в Канаді і країнах центральної і Північної Європи: Австрії, Німеччині, Швеції і Швейцарії. Швейцарія лідирує по величині використання низько потенційної теплової енергії землі на душу населення. У Росії, нашого сусіда, за останні десять років побудовані лише одиничні об'єкти.

Табл.2.5.1 Світовий рівень використання низько потенційної теплової енергії з допомогою теплових насосів

Розвинуті країни світу використовують тепло геотермальних ресурсів не тільки на виробництво електроенергії, а безпосередньо у вигляді тепла: 42% для обігріву ван і басейнів; 23% для опалення; 12% для геотермальних теплових насосів; 9% для обігріву теплиць;

Очікується, що до 2011 року встановлена електрична потужність перевищить 14000 МВт. Однак навіть за умови застосування новітніх технологій у цій галузі кількість енергії, виробленої за рахунок геотермальних ресурсів в 2007 році, становила менше ніж 0,25% від світового потенціалу цього виду енергії, придатного для використання.

2.6 Утилізація і виробництво

Геотермальна енергія являє собою екологічно чисте й постійно відновлюване джерело енергії. Воно істотно відрізняється від інших альтернативних джерел тим, що його можна використовувати у різних кліматичних умовах і в різні пори року. Коефіцієнт використання геотермальних електростанцій, як правило, перевищує 90%. Ціна електроенергії, яку виробляють такі електростанції, нижча, ніж на електрику, вироблену з використанням інших відновлюваних джерел енергії. Якщо розглянути сумарний внесок у виробництво електроенергії геотермальної, вітрової й сонячної енергії, а також енергії припливів і відпливів, то виявиться, що 1998 році геотермальні станції охоплювали 42% встановлених потужностей і 70% від загальної кількості електроенергії, виробленої із цих чотирьох джерел.

Геотермальне тепло можна перетворити на електричну енергію або ж використати безпосередньо у вигляді тепла. Залежно від параметрів геотермальних ресурсів, електроенергія виробляється в традиційних парових турбінах, в які надходить геотермальна рідина, що має температуру не менше ніж 1500С, або ж в установках з бінарним циклом. Існують два основних типи парових турбін – з протитиском і конденсаційні. Перші простіші і дешевші. Однак питоме споживання пари на 1 кВт * год виробленої енергії майже вдвічі більше, ніж у конденсаційних турбінах при однаковому тиску на вході. Зате турбіни з протитиском швидко монтуються, період запуску в експлуатацію не перевищує 13-14 місяців. Як правило, такі турбіни мають невелику потужність (2,5-5 МВт). Турбіни конденсаційного типу забезпечуються великою кількістю додаткового обладнання. Вони набагато складніші й значно більшого розміру. Щоб їх запустити, потрібно вдвічі більше часу. Однак питоме споживання пари в них майже вдвічі менше, ніж у турбінах з протитиском. Зазвичай використовуються конденсаційні установки потужністю 55-60 МВт. Однак уже є приклади запуску турбін потужністю понад 100 МВт.

Значний прогрес досягнуто в технології, що використовує бінарний цикл. У цьому випадку може використовуватися вода, що має температуру 80-900С. подібні установки успішно працюють у багатьох країнах світу.

2.7 Екологічні аспекти

Широко відомо, що виробництво або трансформація енергії прямо або опосередковано впливає на довкілля. Це означає, що отримати ідеально чисту енергію в принципі неможливо. Однак геотермальна енергія, порівняно з іншими видами, є найчистішою. Кількість СО2, що виділяється при виробництві одного кіловата електроенергії з високотемпературних геотермальних джерел становить від 13 до 380 грамів. Водночас, при спаленні природного газу емісія СО2 дорівнює 450 г/кВт*год, нафти – 906 г/кВт*год і вугілля – 1042 г/кВт * год. Згідно останніх досліджень, викиди СО2 на геотермальних електростанціях становили в середньому 65 г/кВт*год виробленої електроенергії. Дослідження охоплювало більшу частину електростанцій сумарною встановленою потужністю 5032 МВт.

Нагріта геотермальна рідина може містити різні гази, головним чином азот і сірководень, а також у невеликих кількостях ртуть, радон і бор. Кількість цих газів залежить від хімічного складу геологічних родовищ. Однак хімічні сполуки, що містяться у геотермальному потоці, не викидаються в повітря, а повертаються назад углиб землі за допомогою спеціальних свердловин.

2.8 Геотермальна енергія. Стан і перспективи розвитку

На Україні є значні запаси термальних вод. Ці запаси вже сьогодні рентабельно використовувати не тільки для теплопостачання різноманітних споживачів, а й для виробництва електроенергії. Існуючі ціни на енергоносії і перспективи їх зростання, роблять економічно вигідними будівництво геотермальних електростанцій практично у всіх регіонах України найближчим часом.

Геотермальна енергія є одним із перспективних відтворюваних джерел енергії. Її давно і широко застосовують Ісландія, США, Нова Зеландія, Угорщина і багато інших країн.

Геотермальні води характеризуються багатьма факторами. Зокрема, за температурою вони поділяються на слаботермальні – до 40˚С, термальні – 40 - 60˚С, високо термальні – 60 - 100˚С, перегріті – понад 100˚С. Вони різняться й за мінералізацією, кислотністю, газовим складом, тисом, глибиною залягання.

Найпростішим економічним рішенням є безпосереднє використання геотермальних вод споживачами: не потрібно встановлювати додаткові теплообмінники і економиться водопровідна вода. Але цей спосіб придатний лише тоді, коли вода відповідає стандарту питної.

Найбільш перспективним способом відбору глибинної теплоти є створення підземних циркуляційних систем із повним або частковим поверненням відпрацьованої води в продуктивні пласти. Ці системи запобігають виснаженню запасів геотермальних вод, підтримують гідравлічну рівновагу в підземних пластах, запобігають забрудненню навколишнього середовища в місцях розташування геотермальних об'єктів. Відпрацьована термальна вода закачується назад у підземні горизонти, що зберігає екологічну чистоту регіону і забезпечує стабільність технологічного циклу [16].

Значно покращити ситуацію з теплопостачанням різноманітних споживачів дозволить використання потенціалу навіть слабо термальних (від +30˚С і вище) вод, запаси яких у багатьох регіонах країни значні. Слабо термальні води дають хороші перспективи для використання тепло насосних установок у виробництві, комунальному господарстві, побуті.

По мірі заглиблювання в землю температура ґрунту в середніх широтах на глибині 3 – 5 метрів протягом року становить 10 – 30˚С і вище.

Для розвитку геотермальної енергетики немає потреби створювати нові підприємства енергетичного машинобудування. Обладнання для геотермальних установок та систем можуть виготовляти існуючі заводи.

Показники ефективності геотермальних установок переважають паливні та атомні і при існуючих тарифах на тепло та електроенергію в найближчому часі можуть розвиватися за рахунок самофінансування. Повністю освоєною є технологія геотермального теплопостачання населених пунктів, сільськогосподарських об'єктів та невеликих підприємств [15].

На сьогодні науково-дослідні роботи з геотермальної енергетики виконуються згідно з Державною науково-технічною програмою „Екологічно чиста енергетика України”, яка затверджена постановою КМУ №100 від 17. 01.1996 року. Програма визначає декілька пріоритетних напрямків геотермальної енергетик: створення геотермальних станцій теплопостачання, створення Неотес, створення систем теплопостачання з підземним акумулюванням тепла, створення сушильних установок, створення геотермального теплопостачання теплиць.

2.9 Теплові насоси

2.9.1 Загальна характеристика

У природі, виробництві, сільському господарстві, побуті є значні запаси розсіяної низькотемпературної теплової енергії, яку можна ефективно використати. Для її концентрації застосовують теплові помпи (теплові помпові установки – ТПУ). Це пристрій, який за допомогою механічної або електричної енергії трансформує теплову енергію низького потенціалу в теплову енергію більш високих параметрів.

Сучасні ТПУ по принципу роботи розділяються на компресійні, абсорбційні і термоелектричні [15].

Джерелом низькотемпературної теплоти для ТПУ може бути природна теплота зовнішнього повітря, ґрунту, теплові відходи промислового і сільськогосподарського виробництва, геотермальна енергія. ТПУ економічно і екологічно вигідно використовувати у виробництві і побуті для опалення і гарячого водопостачання при сучасних цінах на енергоносії, не зважаючи на значні капітальні затрати при їх виготовленні. Хоча ТПУ не отримали в нас широкого застосування, із-за значних витрат і складності обладнання, але вони є дуже перспективними, оскільки дозволяють утилізувати практично будь-яку низькотемпературну теплоту. Практика показала, що найбільш ефективними на сьогодні є парокомпресійні тепло помпові установки.

Коефіцієнт корисної дії тепло помпової установки враховує не тільки дроселювання, але і втрати в трубопроводах, в обладнанні при перетворенні первинної енергії в приводному двигуні і передачі її до двигуна. Так, в даному випадку, при використанні електричної енергії для роботи ТПУ визначити ККД її можна з виразу:

, (2.1)

де  - теплота, передана в конденсаторі;

 - робота стискування в компресорі від тиску  до ;

 - коефіцієнт корисної дії теплового потоку, який враховує втрати енергії і робочого агента в трубопроводах і обладнанні ТПУ;

 - електромеханічний коефіцієнт корисної дії двигуна і компресора;

 - коефіцієнт корисної дії джерела, яке виробляє додаткову електроенергію;

 - коефіцієнт корисної дії електричних ліній передач.

Для теплових насосів [17], що споживають електричну енергію, основною величиною, яка характеризує їх енергетичну ефективність є коефіцієнт перетворення  - відношення отриманого для обігріву тепла  до затраченої роботи :

. (2.2)

В більшості випадків теплові помпи використовують для опалення приміщення із значенням  в межах від 2 до 3. Це означає, що на кожну кілокалорію затраченої роботи з допомогою теплового насосу отримують 2 – 3 кілокалорії тепла при температурі необхідній для опалення. Коли тепловий насос повинен незначно підняти температуру теплоносія (наприклад, випарні установки), коефіцієнт перетворення збільшується до 10 і вище.

Теплові помпи – це складні технічні установки. Строк окупності теплового насосу незначний, він коливається від 2 до 3 років у залежності від конкретних умов. Треба також зазначити, що СПТ вимагають точного підрахунку низькотемпературного джерела енергії, визначення кількості тепла для корисного споживання і механічної енергії для роботи помпи. Низькотемпературним джерелом звично застосовують ґрунт прилеглої ділянки, а також зовнішнє повітря [6].

Помпи тепла на сучасному етапі є найдешевшим джерелом тепла для обігрівання приміщень і гарячого водопостачання, тепловий насос постачає у 3 – 5 разів більше енергії, ніж витрачає[6].

2.9.2 Область використання теплових насосів

В якості природного джерела тепла для зимового опалення ґрунт використовують все частіше ніж повітря та воду, хоча загальне число таких теплових насосів ще порівняно невелике.

Дослідження показали, що умови теплопередачі в ґрунті залежать головним чином від його вологості [10].

Дуже важливим є велика ємкість джерела тепла низького потенціалу. При малій ємності приходиться знижувати температуру кипіння речовини для отримання достатньої кількості тепла від теплоносія. При цьому температура теплоносія помітно змінюється в процесі теплообміну, в той час як температура кипіння лишається постійною низькою.

2.9.3 Конструктивна схема компресійного теплового насоса

Практика зарубіжних країн, а також наших регіонів показує, що найбільш ефективними є на сьогодні є компресійні теплові насоси [17].

Компресійний тепловий насос складається з послідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника, компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником. Постачальний насос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, в якому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується до температури вище температури конденсації. З компресора холодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації холодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури оточуючого середовища, в випарник.

Компресійний тепловий насос включає в себе постачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор; виконаний у вигляді 2n секцій , де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складається з поєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресора розташовані ( n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднані через введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньо об'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, то робота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресорі прототипу, а це приводить до збільшення ексергійного ККД теплового насоса. Крім того, оскільки дно камери конденсатора розташовано вище дна камери випарника насичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатково гравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється у електроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого, збільшується ексергійний ККД теплового насоса.

2.9.4 Робоче тіло теплових насосів

В якості робочого тіла теплового насоса можуть бути виконані речовини (суміші), які мають основні властивості [14]:

низьку нормальну (при атмосферному тиску) температуру випаровування з тим, щоб процес випаровування при підводі низько потенціальної теплоти (в області значень температур навколишнього середовища) проходив при тиску дещо перевищуючим атмосферний, для виключення можливості підсосу повітря в контур робочого тіла;

невисокий тиск конденсації при необхідній температурі нагріву з метою знизити вимоги до конструкції компресора, яка визначається степеню стиску; гнучкі вимоги до компресора, конденсатора, охолодника конденсатора і з'єднувальних провідників, зменшення втрати енергії, яка залежить від наближення параметрів конденсації до критичних параметрів;

високу теплоту пароутворення в робочому інтервалі температур, що обумовлює високі значення тепло виробництва і коефіцієнт перетворення;

не токсичність, незапалюваність, вибухонебезпечність;

високу хімічну стабільність, хімічну інертність по відношенню до конструктивних матеріалів і змащувальних матеріалів.

За робоче тіло приймаємо аміак, оскільки цю речовину цілеспрямовано використовувати тільки в тих випадках, коли необхідне тепло невисокого потенціалу, так як вже при 60˚С тиск конденсації рівний 26.92 amм. При більш високих температурах конденсації температура кінця стиску може перевищити температуру спалаху масла.

Для використання аміаку в системах для виробництва тепла спеціально підвищують тиск конденсації чи пристроюють додаткову, так звану тепло насосну, ступінь стиску речовини.

2.9.5 Грунт як джерело низько потенційної теплової енергії

Як джерело низько потенційної теплової енергії можуть використовуватися підземні води з порівняно низькою температурою або ґрунт поверхневих (завглибшки до 400 м) шарів землі. Тепломісткість ґрунтового масиву в загальному випадку вища. Тепловий режим ґрунту поверхневих шарів землі формується під дією двох основних чинників – падаючої на поверхню сонячній радіації і потоком радіогенного тепла із земних надр. Сезонні і добові зміни інтенсивності сонячної радіації і температури зовнішнього повітря викликають коливання температури верхніх шарів ґрунту. Глибина проникнення добових коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації залежно від конкретних ґрунтово-кліматичних умов коливається в межах від декількох десятків сантиметрів до півтора метра. Глибина проникнення сезонних коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації не перевищує, як правило, 15–20 м.

Мал. 2.9.5.1 Графік зміни температури ґрунту залежно від глибини

Температурний режим шарів ґрунту, розташованих нижче за цю глибину («нейтральної зони»), формується під впливом теплової енергії, що поступає з надр землі, і практично не залежить від сезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату (мал. 2.10.5.1). Із збільшенням глибини температура ґрунту зростає відповідно до геотермічного градієнта (приблизно 3 °C на кожних 100 м). Величина потоку радіогенного тепла, що поступає із земних надр, для різних місцевостей розрізняється. Для Центральної Європи ця величина складає 0,05–0,12 Вт/м2 .

2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту

У експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходиться в межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системи збору низько потенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонної зміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційних навантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багатократному заморожуванню і розтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатного стану вологи, ув'язненої в порах ґрунту і що знаходиться в загальному випадку як в рідкій, так і в твердій і газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовий масив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (у мерзлому або талому), є складною трифазною полідисперсною гетерогенною системою, «скелет» якої утворений величезною кількістю твердих частинок різноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежно від того, чи міцно зв'язані між собою частинки або ж вини відокремлені один від одного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бути заповнені мінералізованою вологою, газом, парою і мерзлою водою або тим і іншим одночасно. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловий режим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням, оскільки вимагає обліку і математичного опису різноманітних механізмів їх здійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієї частинки до іншої при їх контакті, молекулярній теплопровідності в середовищі, що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари і вологи, що містяться в поровом просторі, і багато інших.

Страницы: 1, 2, 3, 4