Использование гидротермальных источников энергии

Введение

В настоящее время ученых особенно интересуют альтернативные источники энергии. Вероятность скорого истощения мировых запасов топлива, а также ухудшение экологической ситуации в мире, (переработка нефти и довольно частые аварии во время ее транспортировки представляют реальную угрозу для окружающей среды) заставили задуматься о других видах топлива, способных заменить нефть и газ[1]. Сейчас в мире все больше ученых инженеров занимаются поисками новых, нетрадиционных источников которые могли бы взять на себя хотя бы часть забот о снабжении человечества энергией.
Альтернативная энергетика – совокупность перспективных способов получения энергии, которые распространены, не так широко, как традиционные, однако представляют интерес из-за выгодности их использования при низком риске причинения вреда экологии района[2]. Основные направления альтернативной энергетики: ветроэнергетика, геотермальная, гелиоэнергетика и гидроэнергетика.
Гидроэнергетика – наиболее эффективное направлений электроэнергетики. Гидроресурсы являются возобновляемым и самым экологичным источником энергии. Их использование сохраняет запасы углеводородного топлива для будущего и снижает количество выбросов ТЭС в атмосферу[3].
Цель работы: общая характеристика гидротермальных электростанций, изучение гидротермальной энергии, а также описание перспектив использования.
Актуальность работы: кроме своего прямого назначения, т.е. производства электроэнергии, гидротермальная энергетика является инфраструктурой для развития многочисленных отраслей экономики и государства в целом. Каждая введенная в эксплуатацию гидротермальная станция является точкой роста экономики региона, т.к. вокруг нее развивается промышленность, инфраструктура и создаются рабочие места для населения. Актуальность применения такого вида энергетики растет с каждым годом.


Понятие гидротермальной энергии
Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей — это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной
История открытия гидротермальной энергии. То, что Мировой океан богат механической энергией, которую можно извлечь из океанских приливов, течений и волн, и то, что он является самым большим в мире накопителем тепловой энергии Солнца, ученые заметили еще более ста лет назад. Данный феномен предложил использовать знаменитый французский физик  д'Арсонваль, построивший первую гидротермальную машину[4]. Она представляла собой теплообменник, в который поступала теплая океанская вода. Под воздействием высокой температуры воды в теплообменнике происходило испарение низкокипящей жидкости (для этого применялся аммиак, закипающий при 33,3°С). Образовавшийся пар вращал лопасти генератора и затем поступал во вторую камеру, которая охлаждалась водой, поднятой с океанских глубин. Пар снова переходил в жидкое состояние и цикл повторялся.
В исследовании гидротермальной энергии океанов конец 70-х г.г. прошлого века стал прорывом. На океанском дне была выявлена довольно активная вулканическая деятельность. Возле Галапагосских островов на глубине 2-4 тыс. м. были обнаружены разломы, из которых в океан поступала горячая вода. На дне были обнаружены маленькие вулканы – гидротермы. Это открытие послужило переворотом в науке. Происхождение гидротерм объяснили так: морская вода по разломам попадает в толщу океанической коры, где разогревается за счет эндогенного тепла планеты. После этого горячая вода под действием сильного давления выбрасывается из недр по разломам и поступает в океан. Здесь, остывая, она выделяет различные минералы, включая и полезные ископаемые. В местах выброса гидротермальной воды образуются небольшие вулканы высотой до 40 м, называемые «черными курильщиками» (рис.1) из-за черного цвета выходящей из них воды.

Рис. 1. Извержение «черного курильщика»
Ученые также выяснили то, что гидротермальные руды формируются не без участия экзогенного вещества. Оказалось, что сульфатная сера имеет особенное влияние на образование сульфидов. Кроме этого, был открыт механизм возникновения метана абиогенного происхождения, которые появляется именно в гидротермальных источниках за счет тепловой энергии.
Позднее геологи провели свои исследования ископаемых на дне океана. Получившиеся выводы подтвердили теоретические исследования семидесятых годов. В конце концов, они доказали, что океанская вода в горячих источниках делает гораздо больше для дегазации и дает больше тепловой энергии, чем вся гидросфера. Следовательно, такую возможность использования энергии упускать нельзя и начался расцвет гидротермальной энергетики.
Гидротермальные источники. В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в породах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях мантии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при температуре около 700°С вода находится исключительно в газообразном состоянии. На глубине 50-60 км при давлениях около 3·104 атм. исчезает граница фазовости, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода.
В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, зависящей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород, содержащие термальные воды (гидротермы)[5]. В связи с этим в земной коре следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару только на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не только горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с температурой 180-200°С и выше.
Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обусловливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температурой теплоносителя все гидротермальные источники подразделяют на эпитермальные, мезотермальные и гипотермальные:
- эпитермальные источники: к ним обычно относят источники горячей воды с температурой 50-90°С, расположенные в верхних слоях осадочных пород, куда проникают почвенные воды;
- мезотермальные источники – источники с температурой воды 100-200°С;
- гипотермальные источники имеют температуру воды в верхних слоях, превышающую 200°С и практически не зависящую от почвенных вод.
Для понимания природы гидротермального источника необходимо рассмотреть зависимость изменения температуры от глубины океана. Земля отдает свое тепло в океан и атмосферу, где оно добавляется к теплу от Солнца, и в конечном итоге рассеивает это тепло в космическом пространстве. Плотность земного теплового потока q выражает потери тепловой энергии Земли через единицу ее поверхности в единицу времени и описывается законом Фурье:
q=-kdTdz, (1)
где T – температура, z – координата в направлении изменения температуры, k – коэффициент теплопроводности.
Зависимость изменения температуры от глубины океана можно наглядно увидеть на рис. 2.

Рис. 2. Изменения температуры с глубиной океана
Как видно из рис. 2, температура воды с увеличением глубины понижается[2]. Но процесс этот в разных широтах происходит неодинаково, так как глубина проникновения солнечной радиации в разных зонах неодинакова. Кроме того, на перераспределение тепла в толще океанической воды оказывают влияние адвективные факторы. Если рассматривать температурный режим не только открытых частей океанов, но и морей, то и здесь ярко проявляется зависимость температуры от широты (табл. 1).
Таблица 1. Зависимость температуры от географической широты


На большей части акватории Мирового океана, между 50°С с. ш. и 45°С ю. ш. в вертикальном распределении температур много общего

. В верхних слоях океана до глубины 500 м понижение температуры идет очень быстро, дальше до 1500 м — значительно медленнее, глубже — температура почти не изменяется. На глубинах 3000—4000м в экваториальных и умеренных широтах вода имеет температуру +2+3°С, в высоких — около 0°С. Глубже 4000 м температура воды немного повышается вследствие повышения давления (адиабатическое нагревание).
Как известно, Солнце нагревает лишь верхний слой воды морей и океанов, причем нагретая вода не опускается вниз, поскольку плотность ее меньше холодной. В тропических морях верхний слой воды, толщина которого не превышает нескольких метров, нагревается всего до 25 – 30°С. В то же время, температура воды на глубине 1 км не превышает 5°С.
Получающийся тепловой градиент создает запасы тепловой энергии, равные (3,4 – 10)24 Дж/год [6]. Разность температур слоев морской воды в энергетических целях можно использовать в схеме двухконтурной электростанции. Теплая морская (океанская) вода из верхних слоев используется для испарения жидкости, точка кипения которой не превышает 25 — 30 °С (фреона, пропана, аммиака). Пар этой жидкости срабатывается в турбогенераторе. Отработавший пар после выхода из турбины охлаждается более холодной водой, поступающей из глубинных слоев, конденсируется и вновь используется в цикле.
Итак, гидротермальная энергия – это горячий пар, который образуется в результате теплообмена, конденсируется, его температура поднимается до 110 С, а затем его можно пускать либо на турбины электростанций, либо на нагревание воды в батареях центрального отопления до 60-65 С. Далее будут подробно рассмотрены гидротермальные установки.


Гидротермальные установки
Принцип работы и конструкция
Разные типы гидротермальных систем, которые могут продуцировать промышленные золотые и медные месторождения, проявляются в местах, где магматические интрузии внедряются достаточно высоко на верхние горизонты земной коры (рис. 3). В связи с этим они могут сформировать конвективную циркуляцию в горизонтах подземных вод[6].

Рис. 3.Базовая гидротермальная система
Ряд гидротермальных систем, полезных для извлечения геотермальной энергии, не всегда идентичны тем, которые образуют промышленные рудные месторождения. Существуют и другие типы гидротермальных систем, которые обусловлены тектоникой или располагаются в глубоких депрессиях, заполненных рассолами.
Выделяют ряд подтипов гидротермальных систем, связанных с вулканами[7]. Рассмотрим их основные характеристики. Источник тепла – интрузии. Глубины их размещения и другие характеристики, которые влияют на формирование гидротермальных систем, периодически меняются в соответствии с природой интрузии. Гидротермы представлены, в основном, метеорной водой. Давление в столбе воды на любой глубине эквивалентно весу выше расположенной воды. Таким образом, давление увеличивается с глубиной на гидростатический градиент. Для пресной воды давление увеличивается на 1 атмосферу примерно на 10 м.
Точка кипения воды увеличивается с увеличением давления. Иными словами, кипение происходит в тот момент, когда ограничительное давление меньше или равно давлению насыщенного водяного пара. Газы, растворенные в воде, существенно понижают точку кипения, в то время как иные растворенные вещества поднимают ее (рис. 4).

Рис. 4. График соотношений гидростатической точки кипения гидротерм, показывающий контрастное влияние минерализации и содержаний газа в гидротермах
В недрах системы гидротермы могут быть надёжно изолированы от дневной поверхности. Следовательно, давление может быть очень высоким, достигать литостатического и выше. На меньшей глубине гидротермы находятся под давлением подземных вод, которые смыкаются с поверхностными водами. Здесь давление контролируются гидростатическими эффектами. На этих уровнях и выше гидротермы не стационарны (или же они должны остывать за счёт кондуктивной теплопроводности). Они быстро мигрируют в ответ на градиенты давлений, которые обусловлены разницей температур. Высокотемпературные термы легче холодных и, следовательно, под действием окружающих холодных вод формируют восходящий поток.
Таким образом, гидротермальная система представляет собой большую
конвективную ячейку. В ней выделяется центральная восходящая зона и зона нисходящего потока гидротерм или зона притока, по которой происходит водное питание системы[8].
Гидротермальные установки в частном секторе. Сегодня в частных домах как нигде более востребованы новые отопительные технологии. Связано это с тем, что владелец частного дома напрямую заинтересован в рациональном расходовании ресурсов, потребляемых теплогенераторами[9]. При этом экономия на энергоносителях является непременным условием сокращения расходов на отопление. По этой причине многие владельцы частных домов отказываются от традиционного водяного или воздушного отопления, и переходят на отопление с применением альтернативных источников энергии.
Можно получить энергию для обогрева дома с помощью гидротермальной установки. Это реально в том случае, если рядом с домом есть водоем, который не промерзает до дна даже в самое холодное время года. На таком водоеме вполне можно соорудить гидротермальную установку, которая будет извлекать тепловую энергию из придонного слоя воды. Конструкция такой установки показана на рис. 5.

Рис. 5. Схема гидротермальной установки
В доме монтируется тепловой насос, отвечающий за движение теплоносителя по трубам. На дно водоема укладываем зонд-теплообменник, отвечающий за забор тепла.
Эффективность работы гидротермальной станции напрямую зависит от длины зонда. При правильном монтаже «выход» составляет до 40Вт с 1 погонного метра теплообменника. В результате для обогрева загородного дома средних размеров достаточно системы длиной 200-300 метров, что при компактной укладке зондов на дно – совсем немного.
Гидротермальная установка для производства электрической энергии. Содержит основной контур рабочего тела, состоящий из последовательно соединенных испарителя, турбины с электрогенератором, конденсатора и жидкостного насоса[10]. Отличается тем, что содержит дополнительный контур рабочего тела со своим последовательно соединенным конденсатором, термотрансформатором. Это обеспечивает повышение экономичности. Даная установка является энергетической установкой для получения электроэнергии с помощью использования разности температур между поверхностными и глубинными слоями океана (рис.6).

Рис. 6. Схема установки с трансформатором в виде волновых резонансных труб
Схема работы такова: гидротермальная установка содержит основной контур рабочего тела I, состоящий из последовательно соединенных испарителя 1, турбины 2 с электрогенератором 3, конденсатора 4 и жидкостного насоса 5. Также в состав входит дополнительный контур рабочего тела II, состоящий из последовательно соединенных конденсатора 6, жидкостного насоса 7, испарителя 8 и повышающего трансформатора в виде резонансных труб 9 или в виде охлаждаемой трубы 10.
Принцип работы. Закачиваемая с поверхности океана теплая вода вызывает испарение рабочего тела в испарителе 8 дополнительного контура. Парообразное рабочее тело поступает в повышающий термотрансформатор, выполненный либо в виде волновых резонансных труб 9, либо в виде охлаждаемой вихревой трубы 10. В термотрансформаторе происходит процесс расширения рабочего тела с превращением внутренней энергии в теплоту более высокого температурного потенциала. В результате теплового контакта трансформатора с испарителем 1 основного контура I рабочего тела часть внутренней энергии передается из дополнительного контура ll в основной контур. Далее расширенные пары рабочего тела поступают в конденсатор 6 и с помощью жидкостного насоса 7 возвращаются в испаритель 8. Полученная энергия от дополнительного контура приводит к увеличению давлений кипения рабочего тела в испарителе 1 основного контура 1, а, следовательно, и к увеличению перепада давления паров рабочего тела на турбине 2