Термальная энергетика

Термальные воды широко применяются для отопле­ния и горячего водоснабжения в ряде стран. Так, сто­лица Исландии Рейкьявик почти полностью обогревает­ся теплотой подземных источников. В больших масшта­бах термальные воды для теплоснабжения используют в Австралии, Новой Зеландии, Италии.

Эксплуатация первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904 г. Интерес к таким стан­циям возрос в последние годы в связи с резким увеличе­нием цен на ископаемое топливо на мировом рынке.

Практическое использование теплоты Земли зависит от глубины залегания горячих источников. Чтобы объяс­нить природу геотермальных явлений, рассмотрим наи­более интересное из них — извержение вулкана. По мере увеличения глубины земной коры, или литосферы, повы­шается температура. На глубине 40 км температура, равна 1200°С. При этой температуре и атмосферном давлении должно происходить плавление пород. Однако в земных недрах на такой глубине повсеместно плавле­ния не происходит из-за большого давления — порядка 1210 МПа.

В тех местах, где давление, обусловленное весом покрывающих пород, снято или значительно уменьшено, происходит плавление. Подобные явления наблюдаются при перемещениях земной коры, когда наряду с образо­ванием складок при сжатиях образуются трещины при растяжениях. Расплавившаяся в «трещине» масса может достигать поверхности Земли и выходить в виде лавы, горячих газов и водяного пара. Иногда такая масса, поднимаясь по трещинам и разломам, не доходит до поверхности Земли вследствие расширения и уменьшения давления. При этом нагретые теплотой больших глубин породы медленно остывают в течение десятков и сотен тысяч лет.

Передача теплоты от разогретых пород происходит за счет теплопроводности покрывающих пород и конвекции, выделяющихся из массы горячих газов иводяного пара. Горячие газы и пар, поднимаясь по трещинам к поверхности Земли, могут встретить воду, которую они нагревают. Нагретая вода выходит на поверхность в виде горячих источников. Энергию нагретой воды можно использовать на геотермальных электростанциях. Объем выходящей на поверхность воды с течением времени меняется.

Анализ работы геотермальных электростанций в Новой Зеландии и Италии показал, что со временем падают давление и температура в скважине изначитель­но оседает поверхность вокруг скважины на площади примерно в б км², а производительность скважинубы­вает по экспоненциальному закону. На базе геотермаль­ных источников в Новой Зеландии и Италии работают электростанции, вырабатывающие 40 и 6% электроэнер­гии соответственно.

На данный момент в России электростанции, работающие на геотермальной (гидротермальной) энергии работают в одном регионе — на Камчатке:

Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, построенная в 1967 году;

Мутновская ГеоТЭС мощностью 50 МВт, введённая в эксплуатацию в 2000 году;

Верхне-мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт, работающая с 2001 года.

Мутновская ГеоТЭС мощностью 50 МВт, введённая в эксплуатацию в 2000 году;

Есть планы развития гидротермальной энергетики на Курильских островах.

Опыт использования геотермальной энергии в качестве источника тепла несколько шире. Здесь лидерство принадлежит Северному Кавказу, прежде всего — Краснодарскому краю. Так, город Лабинск полностью отапливается за счёт геотермальных вод. Отработанная вода при этом закачивается обратно в пласт.

Доклад на тему «Перспективы развития геотермальной энергетики в России» был сделан в НИЛ ВИЭ 21 октября 2011 года.

Докладчик — Михаил Хуторской, заместитель директора Геологического института РАН, академик Российской академии естественных наук.

В последнее время рассматриваются проекты созда­ния искусственных энергетических плантаций, на кото­рых предполагается выращивание биомассы и последую­щее использование биологической энергии растений. Фотосинтез — единственный биологический процесс, который идёт с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергией все земные организмы. Ежегодно в результате фотосинтеза на Земле образуется около 150 млрд. т органического вещества, усваивается 300 млрд. т СО₂ и выделяется около 200 млрд. т свободного кислорода. Благодаря фотосинтетической деятельности первых зелёных организмов в первичной атмосфере Земли появился кислород, возник озоновый экран, создались условия для биологической эволюции

Мировая продукция фотосинтеза лесов оценивается в 50 ТВт, что примерно в 10 раз больше современного объема добычи нефти и природного газа. Солнечная энергия, преобразованная в химическую энергию древе­сины в процессе жизнедеятельности растений до истори­чески недавнего времени широко использовалась чело­веком. Предполагается, что топливо на энергетических плантациях будет производиться по ценам примерно 25 долл./т, что ниже современных мировых цен на нефть. Для получения тепловой мощности, равной 100 МВт, потребуется примерно 50 м.² площади энергетических плантаций.

Химическая энергия водорода приобрета­ет в последнее время большое значение. Запасы водо­рода неистощимы и не связаны с каким-то регионом планеты, так как он имеется везде и может быть исполь­зован повторно неограниченное число раз. Водород в связанном состоянии содержится в молекулах воды; при его сжигании образуется вода, не загрязняющая окру­жающую среду. Водород удобно хранить, распределять по трубопроводам и транспортировать без больших затрат.

Один из источников производства водорода - природное топливо: метан, уголь, древесина и т.д. При взаимодействии топлива с парами воды или воздухом образуется синтез-газ - смесь СО и Н₂. Из нее затем выделяется водород. Другой источник - отходы сельскохозяйственного производства, из которых получают биогаз, а затем синтез-газ. Промышленно-бытовые отходы тоже используются для производства синтез-газа, что способствует одновременно и решению экологических проблем, поскольку отходов много и их нужно утилизировать. В конечном счете образуются углекислый газ, водород и окись углерода. Дальше идет каталитическая очистка, электрохимическая конверсия и т.д. Водород можно получать также электролизом воды, то есть разложением ее под воздействием электрического тока. Очень важным элементом при преобразовании газа, содержащего водород, является очистка газа на палладиевых мембранах. В конечном счете получается чистый водород.

Переход на водородную энергетику означает крупномасштабное производство водорода, его хранение, распределение (в частности, транспортировку) и использование для выработки энергии с помощью топливных элементов. Водород находит применение и в других областях, таких как металлургия, органический синтез, химическая и пищевая промышленность, транспорт и т.д. (рис. 1). Судя по современным темпам и масштабам развития водородной энергетики на нашей планете, мировая цивилизация в ближайшее время должна перейти к водородной экономике. Фактически задача состоит в том, чтобы создать топливные элементы и использовать водород для получения электрической энергии.

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

том 74, № 7, с. 579-597

2004 ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Г. А. Месяц. Месяц Геннадий Андреевич - академик, вице-президент РАН, директор Института электрофизики УрО РАН.

Процесс электро­лиза, используемый для получения водорода из-за промежуточной стадии преобразования теплоты в элект­роэнергию, имеет низкий общий КПД и неэкономичен. Этот процесс можно активизировать использованием более высоких давлений и температур.

Широкое применение водородного топлива может решить три наиболее актуальные проблемы: уменьшить потребление органического и ядерного топлива, удов­летворить постоянно растущую потребность в энергии и снизить загрязнение окружающей среды.

Соотношение между производством энергоресурсов и их потреб­лением. Проследив по группам стран и районов такие соотношения, можно наглядно представить себе картину экспорта и импорта энергетических ресурсов. Примерно 75% всего мирового потребле­ния коммерческих энергоресурсов приходился на 10 стран: США, РФ, Великобританию, Японию, Германию, Канаду, Францию, Италию, Чехословакию. Из них только Российская Федерация имеет положительный топливный баланс, т. е. полностью обеспечивает свои потребности за счет собственных коммерческих энергоресурсов и продает топливо дру­гим странам. Остальные страны, как правило, покрывают спрос на энергоресурсы за счет импорта. Причем потребление ими коммер­ческих энергоресурсов примерно в 5—20 раз превышает их произ­водство.

Северная Америка, Западная Европа и страны Дальнего Во­стока находятся в большой зависимости от импорта энергоресурсов из стран Среднего и Ближнего Востока, которые, экспортируя огромное количество энергоресурсов, потребляют относительно не­большое их количество.

Современное развитие техники и технологии открыва­ет заманчивые перспективы использования в практиче­ских целях возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра, морских приливов, лучистая энергия Солнца, получаемая на Земле и в космическом простран­стве, энергия растительных энергетических плантаций и т. п. Ориентация научных и практических работ на та­кие источники энергии позволит уменьшить потребление органического топлива.