Геотермальное отопление - Geothermal heating

Эта статья о прямом использовании геотермального тепла. Для производства электроэнергии см. геотермальная энергия.
Часть серии о
Устойчивая энергия
Ветряные турбины возле Вендсисселя, Дания (2004 г.)
Обзор
Энергосбережение
Возобновляемая энергия
Экологичный транспорт
  • Ветряная турбина-icon.svg Портал возобновляемой энергии
  • Aegopodium podagraria1 ies.jpg Портал окружающей среды

Геотермальное отопление прямое использование геотермальная энергия для некоторых систем отопления. Люди воспользовались геотермальный так нагревают еще с эпохи палеолита. Примерно семьдесят стран напрямую использовали в общей сложности 270 PJ геотермального отопления в 2004 году. По состоянию на 2007 год 28 ГВт геотермальных тепловых мощностей установлено по всему миру, что обеспечивает 0,07% мирового потребления первичной энергии.[1] Тепловая эффективность высокий, поскольку преобразование энергии не требуется, но факторы мощности обычно невысокие (около 20%), поскольку тепло требуется в основном зимой.

Геотермальная энергия возникает из-за тепла, сохраненного в Земле с момента первоначального образования планеты, от радиоактивный распад минералов, и из солнечная энергия впитывается на поверхности.[2] Наиболее высокотемпературное геотермальное тепло собирается в регионах, близких к границы тектонических плит где вулканическая активность поднимается близко к поверхности Земли. В этих областях грунтовые и грунтовые воды могут быть обнаружены с температурами выше, чем заданная температура применения. Однако даже холодная земля содержит тепло, на глубине ниже 6 метров (20 футов) ненарушенная температура почвы постоянно соответствует Среднегодовой температуре воздуха.[3] и его можно извлечь с помощью Тепловой насос.

Приложения

Страны с наибольшим использованием геотермального тепла в 2005 году[4]
СтранаПроизводство
ПДж / год		Емкость
ГВт		Емкость
фактор		Доминирующий
Приложения
Китай45.383.6939%купание
Швеция43.24.233%тепловые насосы
Соединенные Штаты Америки31.247.8213%тепловые насосы
индюк24.841.553%районное отопление
Исландия24.51.8442%районное отопление
Япония10.30.8240%купание (онсенс )
Венгрия7.940.6936%курорты / теплицы
Италия7.550.6139%спа / отопление помещений
Новая Зеландия7.090.3173%промышленное использование
63 другие716.8
Общий2732831%отопление помещений
Прямое использование геотермального тепла по категориям в 2015 г. по материалам Джона В. Лунда [5]
КатегорияГВтч / год
Геотермальные тепловые насосы90,293
Купание и плавание33,164
Отопление помещений24,508
Тепличное отопление7,407
Обогрев пруда для аквакультуры3,322
Промышленное использование2,904
Охлаждение / таяние снега722
Сушка сельского хозяйства564
Другие403
Общий163,287

Существует множество применений дешевого геотермального тепла, включая отопление домов, теплиц, купание и плавание или промышленное использование. В большинстве приложений геотермальная энергия используется в виде горячих жидкостей при температуре от 50 ° C (122 ° F) до 150 ° C (302 ° F). Подходящая температура варьируется для разных применений. Для прямого использования геотермального тепла диапазон температур для сельскохозяйственного сектора составляет от 25 ° C (77 ° F) до 90 ° C (194 ° F), для обогрева помещений - от 50 ° C (122 ° F) до 100 °. С (212 ° F).[4] Тепловые трубки расширяют температурный диапазон до 5 ° C (41 ° F), поскольку они отводят и «усиливают» тепло. Геотермальное тепло, превышающее 150 ° C (302 ° F), обычно используется для геотермальная энергия поколение.[6]

В 2004 году более половины прямого геотермального тепла использовалось для отопления помещений, а треть - для курортов.[1] Остальная часть использовалась для различных промышленных процессов, опреснения, горячего водоснабжения и сельского хозяйства. Города Рейкьявик и Акурейри прокачивать горячую воду от геотермальных растений под дорогами и тротуарами для таяния снега. Геотермальное опреснение был продемонстрирован.

Геотермальные системы, как правило, получают выгоду от эффекта масштаба, поэтому мощность обогрева помещений часто распределяется между несколькими зданиями, а иногда и целыми сообществами. Этот метод давно практикуется во всем мире в таких местах, как Рейкьявик, Исландия;[7] Бойсе, Айдахо;[8] и Klamath Falls, Орегон;[9] известен как районное отопление.[10]

По данным Европейского совета по геотермальной энергии (EGEC), только в Европе в 2016 году работало 280 геотермальных станций централизованного теплоснабжения с общей мощностью около 4,9 ГВтт.[11]

Добыча

Основная статья: Теплообменник с заземлением

Некоторые части мира, в том числе значительная часть западной части США, имеют относительно неглубокие геотермальные ресурсы.[12] Подобные условия существуют в Исландии, некоторых частях Японии и других горячих геотермальных точках по всему миру. В этих местах вода или пар могут улавливаться из естественных горячие источники и подключен прямо к радиаторы или же теплообменники. Кроме того, тепло может исходить от отходящее тепло поставляется совместное поколение от геотермальной электростанции или из глубоких скважин в горячие водоносные горизонты. Прямое геотермальное отопление намного более эффективно, чем геотермальное электричество, и требует менее жестких температурных требований, поэтому его можно использовать в большом географическом диапазоне. Если неглубокий грунт горячий, но сухой, через него может циркулировать воздух или вода. заземляющие трубы или же скважинные теплообменники которые действуют как теплообменники с землей.

Пар под давлением из глубоких геотермальных ресурсов также используется для выработки электроэнергии из геотермальной энергии. В Проект глубокого бурения в Исландии попал в карман магмы на высоте 2100 м. В скважине был сооружен цементированный стальной корпус с перфорацией на дне рядом с магмой. Высокие температуры и давление магматического пара использовались для выработки 36 МВт электроэнергии, что сделало IDDP-1 первой в мире геотермальной системой, усиленной магмой.[13]

В местах, где неглубокий грунт слишком холодный, чтобы обеспечить непосредственный комфорт, он все еще теплее зимнего воздуха. В тепловая инерция мелководья сохраняет солнечную энергию, накопленную в летнее время, а сезонные колебания температуры грунта полностью исчезают ниже 10 м глубины. Это тепло может быть извлечено геотермальным тепловым насосом более эффективно, чем оно может быть произведено обычными печами.[10] Геотермальные тепловые насосы экономически выгодны практически в любой точке мира.

Теоретически геотермальная энергия (обычно охлаждение) также может быть извлечена из существующей инфраструктуры, такой как муниципальные водопроводные трубы.[14]

Земляные тепловые насосы

Основная статья: Геотермальный тепловой насос

В регионах без высокотемпературных геотермальных ресурсов грунтовый тепловой насос (GSHP) может обеспечивать обогрев и охлаждение помещений. Подобно холодильнику или кондиционеру, эти системы используют тепловой насос для принудительной передачи тепла от земли к зданию. Тепло можно извлекать из любого источника, независимо от того, насколько он холодный, но более теплый источник обеспечивает более высокую эффективность. Тепловой насос с грунтовым источником использует неглубокий грунт или грунтовые воды (обычно начиная с 10–12 ° C или 50–54 ° F) в качестве источника тепла, что позволяет использовать его умеренные сезонные температуры.[15] Напротив, воздушный тепловой насос забирает тепло из воздуха (более холодный наружный воздух) и, следовательно, требует больше энергии.

GSHP циркулируют жидкость-носитель (обычно смесь воды и небольшого количества антифриза) через замкнутые контуры труб, заглубленные в землю. Системы с одним домом могут быть системами «вертикального петлевого поля» с отверстиями глубиной 50–400 футов (15–120 м) или,[16] если имеется подходящая земля для обширных траншей, «поле горизонтальной петли» устанавливается примерно на шесть футов под поверхностью. По мере того как жидкость циркулирует под землей, она поглощает тепло от земли, а по возвращении нагретая жидкость проходит через тепловой насос, который использует электричество для извлечения тепла из жидкости. Повторно охлажденная жидкость отправляется обратно в землю, продолжая цикл. Тепло, отбираемое и генерируемое тепловым насосом в качестве побочного продукта, используется для обогрева дома. Добавление контура заземления в уравнение энергии означает, что в здание может быть передано значительно больше тепла, чем если бы только электричество использовалось непосредственно для отопления.

Изменяя направление теплового потока, эта же система может использоваться для циркуляции охлажденной воды по дому для охлаждения в летние месяцы. Тепло отводится к относительно более холодной земле (или грунтовым водам), а не доставляется в горячий наружный воздух, как это делает кондиционер. В результате тепло перекачивается через большую разницу температур, что приводит к повышению эффективности и меньшему потреблению энергии.[15]

Эта технология делает наземное отопление экономически выгодным в любом географическом месте. В 2004 году около миллиона геотермальных тепловых насосов общей мощностью 15 ГВт извлекли 88 ПДж тепловой энергии для отопления помещений. Мировая мощность наземных тепловых насосов ежегодно растет на 10%.[1]

История

Самый старый известный бассейн с горячим источником, построенный при династии Цинь в 3 веке до нашей эры.

Горячие источники использовались для купания, по крайней мере, со времен палеолита.[17] Самый старый известный спа-центр - это каменный бассейн на Китай с Mount Li построен в Династия Цинь в 3 веке до нашей эры, на том же месте, где Хуацин Чи позже был построен дворец. Поставка геотермальной энергии по каналам районное отопление для бань и домов в Помпеи около 0 г. н.э.[18] В первом веке нашей эры римляне завоевали Aquae Sulis в Англии и использовал там горячие источники для кормления общественные бани и пол с подогревом.[19] Плата за вход в эти ванны, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. 1000-летняя гидромассажная ванна была расположена в Исландия, где он был построен одним из первых поселенцев острова.[20] Самая старая в мире действующая геотермальная система централизованного теплоснабжения в Chaudes-Aigues, Франция, действует с 14 века.[4] Самая ранняя промышленная эксплуатация началась в 1827 году с использованием водяного пара для извлечения борная кислота из вулканической грязи в Лардерелло, Италия.

В 1892 году первая в Америке система централизованного теплоснабжения Бойсе, Айдахо, питался непосредственно от геотермальной энергии и вскоре был скопирован в Кламат-Фолс, Орегон в 1900 году. Глубокая геотермальная скважина использовалась для обогрева теплиц в Бойсе в 1926 году, а гейзеры использовались для обогрева теплиц в Исландии и Тоскане примерно в то же время.[21] Чарли Либ разработал первую скважинный теплообменник в 1930 году отапливать свой дом. Пар и горячая вода из гейзеров начали использоваться для отопления домов в Исландии в 1943 году.

К этому времени, Лорд Кельвин уже изобрел Тепловой насос в 1852 г. и Генрих Зелли запатентовал идею использовать его для извлечения тепла из земли в 1912 году.[22] Но только в конце 1940-х годов геотермальный тепловой насос был успешно внедрен. Самой ранней из них, вероятно, была самодельная система прямого обмена мощностью 2,2 кВт Роберта К. Уэббера, но источники расходятся во мнениях относительно точных сроков его изобретения.[22] Дж. Дональд Крукер разработал первый коммерческий геотермальный тепловой насос для обогрева Здание Содружества (Портленд, Орегон) и продемонстрировал это в 1946 году.[23][24] Профессор Карл Нильсен из Государственный университет Огайо построил первую жилую версию с открытым контуром в своем доме в 1948 году.[25] Технология стала популярной в Швеции в результате Нефтяной кризис 1973 года, и с тех пор становится все более популярным во всем мире. Развитие 1979 г. полибутилен труба значительно увеличила экономическую эффективность теплового насоса.[23] По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более миллиона геотермальных тепловых насосов, обеспечивающих тепловую мощность 12 ГВт.[26] Каждый год около 80 000 единиц устанавливаются в США и 27 000 в Швеции.[26]

Экономика

Геотермальная буровая машина

Геотермальная энергия - это вид возобновляемой энергии, который способствует сохранению природных ресурсов. По данным США Агентство по охране окружающей среды, геообмен Системы экономят домовладельцев на 30–70 процентов затрат на отопление и на 20–50 процентов на охлаждении по сравнению с обычными системами.[27] Системы геообмена также экономят деньги, поскольку требуют гораздо меньшего обслуживания. Помимо того, что они очень надежны, они рассчитаны на десятилетия.

Некоторые утилиты, такие как Канзас-Сити Пауэр и свет, предлагаем специальные более низкие зимние тарифы для потребителей геотермальных источников, предлагая еще большую экономию.[15]

Риски геотермального бурения

Трещины в исторической ратуше Штауфен-им-Брайсгау предположительно из-за ущерба от геотермального бурения

В проектах геотермального отопления в подземелье проходят траншеи или буровые скважины. Как и все подземные работы, проекты могут вызвать проблемы, если геология местности плохо изучена.

Весной 2007 г. было проведено разведочное геотермальное бурение для обеспечения геотермальным теплом мэрии г. Штауфен-им-Брайсгау. После первоначального погружения на несколько миллиметров процесс, называемый проседание,[28] центр города начал постепенно расти[29] нанести значительный ущерб зданиям в центре города, затронув многочисленные исторические дома, включая ратушу. Предполагается, что бурение перфорировало ангидрит слой, создающий высокое давление грунтовые воды вступить в контакт с ангидритом, который затем начал расширяться. В настоящее время не видно конца восходящему процессу.[30][31][32] Данные из TerraSAR-X РЛС спутника до и после изменений подтвердили локализованный характер ситуации:

Геохимический процесс, называемый ангидрит опухоль была подтверждена как причина этих подъемы. Это превращение минерального ангидрита (безводного сульфата кальция) в гипс (водный сульфат кальция). Предварительным условием для этого превращения является контакт ангидрита с водой, которая затем сохраняется в своей кристаллической структуре.[33]Существуют и другие источники потенциальных рисков, например: расширение пещеры или ухудшение условий стабильности, качественная или количественная деградация ресурсов подземных вод, усиление специфической опасности в случае участков, подверженных оползням, ухудшение механических характеристик скальных пород, загрязнение почвы и воды (т.е. из-за добавок антифриза или загрязняющих конструктивных и расточных материалов).[34] Проект, разработанный на основе геологических, гидрогеологических и экологических знаний для конкретных участков, предотвращает все эти потенциальные риски.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Фридлейфссон, Ингвар Б .; Бертани, Руджеро; Хуэнгес, Эрнст; Лунд, Джон В .; Рагнарссон, Арни; Рыбач, Ладислав (11 февраля 2008 г.). «Возможная роль и вклад геотермальной энергии в смягчение последствий изменения климата» (PDF). У О. Хохмейера; Т. Триттин (ред.). Материалы совещания МГЭИК по оценке возобновляемых источников энергии. Любек, Германия. С. 59–80. Архивировано из оригинал (PDF) на 2017-08-08.
  2. ^ Тепловые насосы, Руководство по энергосбережению и энергосбережению, 2008 г., стр. 9–3
  3. ^ Средняя годовая температура воздуха
  4. ^ а б c Лунд, Джон В. (июнь 2007 г.), «Характеристики, разработка и использование геотермальных ресурсов» (PDF), Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра, Кламат-Фолс, Орегон: Технологический институт Орегона, 28 (2), стр. 1–9, ISSN  0276-1084, получено 2009-04-16
  5. ^ Лунд, Джон В. (2015-06-05). «Геотермальные ресурсы во всем мире, прямое использование тепла». Энциклопедия устойчивости и технологий: 1–29. Дои:10.1007/978-1-4939-2493-6_305-3. ISBN  978-1-4939-2493-6.
  6. ^ Ханания, Иордания; Sheardown, Эшли; Стенхаус, Кайлин; Донев, Ясон. «Геотермальное централизованное теплоснабжение». Энергетическое образование профессора Джейсона Донева и студентов Университета Калгари. Получено 2020-09-18.
  7. ^ «История использования геотермальных источников энергии в Исландии». Университет Рочестера. Архивировано из оригинал на 2012-02-06.
  8. ^ «Системы централизованного теплоснабжения в Айдахо». Департамент водных ресурсов Айдахо. Архивировано из оригинал 21 января 2007 г.
  9. ^ Браун, Брайан.Геотермальные системы централизованного теплоснабжения Кламат-Фолс В архиве 2008-01-19 на Wayback Machine
  10. ^ а б «Обзор основ геотермальной энергетики». Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии. Архивировано из оригинал на 2008-10-04. Получено 2008-10-01.
  11. ^ «Основные результаты отчета EGEC по геотермальному рынку за 2016 год (шестое издание, май 2017 года)» (PDF). www.egec.org. EGEC - Европейский совет по геотермальной энергии. 2017-12-13. п. 9.
  12. ^ Что такое геотермальная энергия? В архиве 5 октября 2013 г. Wayback Machine
  13. ^ Уилфред Аллан Элдерс, Гудмундур Омар Фрилейфссон и Бьярни Палссон (2014). Журнал Геотермия, Том. 49 (январь 2014). Elsevier Ltd.
  14. ^ Тадайон, Саид; Тадайон, Биджан; Мартин, Дэвид (2012-10-11). «Патент US20120255706 - Теплообмен с использованием подземной водной системы».
  15. ^ а б c Госвами, Йоги Д., Крейт, Франк, Джонсон, Кэтрин (2008), стр. 9-4.
  16. ^ «Геотермальные системы отопления и охлаждения». Хорошо менеджмент. Министерство здравоохранения Миннесоты. Архивировано из оригинал на 2014-02-03. Получено 2012-08-25.
  17. ^ Катальди, Рафаэле (август 1993 г.). «Обзор историографических аспектов геотермальной энергии в Средиземноморье и Мезоамерике до Нового времени» (PDF). Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра. 15 (1): 13–16. ISSN  0276-1084. Получено 2009-11-01.
  18. ^ Блумквист, Р. Гордон (2001). Анализ, проектирование и разработка энергетических систем геотермального района (PDF). Международная летняя школа. Международная геотермальная ассоциация. п. 213 (1). Получено 28 ноября, 2015. Сложить резюме – Стэндфордский Университет. Во времена Римской империи теплая вода циркулировала через открытые траншеи для обогрева зданий и бань в Помпеях.
  19. ^ «История геотермальной энергии в Соединенных Штатах». Министерство энергетики США, Программа геотермальных технологий. Архивировано из оригинал на 2007-09-04. Получено 2007-09-10.
  20. ^ http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=iceland-geothermal-power
  21. ^ Диксон, Мэри Х .; Фанелли, Марио (февраль 2004 г.). "Что такое геотермальная энергия?". Пиза, Италия: Istituto di Geoscienze e Georisorse. Архивировано из оригинал 2009-10-09. Получено 2009-10-13.
  22. ^ а б Зогг, М. (20–22 мая 2008 г.). История тепловых насосов: вклад Швейцарии и международные вехи (PDF). Цюрих, Швейцария: 9-я Международная конференция МЭА по тепловым насосам.
  23. ^ а б Блумквист, Р. Гордон (декабрь 1999 г.). «Геотермальные тепловые насосы, плюс четыре десятилетия опыта» (PDF). Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра. 20 (4): 13–18. ISSN  0276-1084. Получено 2009-03-21.
  24. ^ Крукер, Дж. Дональд; Чунинг, Рэй К. (февраль 1948 г.). «Тепловой насос в офисном здании». Транзакции ASHVE. 54: 221–238.
  25. ^ Гэннон, Роберт (февраль 1978). «Тепловые насосы грунтовых вод - Отопление и охлаждение дома из собственной скважины». Популярная наука. 212 (2): 78–82. ISSN  0161-7370. Получено 2009-11-01.
  26. ^ а б Lund, J .; Sanner, B .; Рыбач, Л .; Curtis, R .; Хеллстрем, Г. (сентябрь 2004 г.). «Геотермальные (наземные) тепловые насосы, общий обзор» (PDF). Ежеквартальный бюллетень Геотеплового центра. 25 (3): 1–10. ISSN  0276-1084. Получено 2009-03-21.
  27. ^ "Консорциум геотермальных тепловых насосов, Inc.". Получено 2008-04-27.
  28. ^ The Telegraph: Геотермальный зонд тонет в немецком городе (31 марта 2008 г.)
  29. ^ Люббаде, Йенс (15 ноября 2008 г.). "Eine Stadt zerreißt" [Город рвется]. Spiegel Wissenschaft (на немецком). Частичный перевод.
  30. ^ Сасс, Инго; Бурбаум, Ульрих (2010). «Ущерб историческому городу Штауфен (Германия), вызванный геотермальным бурением через ангидритсодержащие образования» (PDF). Acta Carsologica. 39 (2): 233. Дои:10.3986 / ac.v39i2.96. Архивировано из оригинал (PDF) на 13.08.2012.
  31. ^ Бутшер, Кристоф; Хуггенбергер, Питер; Окенталер, Адриан; Беннингер, Доминик (2010). "Risikoorientierte Bewilligung von Erdwärmesonden" (PDF). Грундвассер. 16: 13–24. Bibcode:2011Grund..16 ... 13B. Дои:10.1007 / s00767-010-0154-5.
  32. ^ Гольдшейдер, Нико; Бехтель, Тимоти Д. (2009). «Сообщение редакции: жилищный кризис из-за земли - повреждение исторического города из-за геотермальных бурений через ангидрит, Штауфен, Германия». Гидрогеологический журнал. 17 (3): 491–493. Bibcode:2009HydJ ... 17..491G. Дои:10.1007 / s10040-009-0458-7.
  33. ^ "Изображение месяца с TerraSAR-X: поднятие земли под Старым городом Штауфен". www.spacemart.com. SpaceDaily. 2009-10-22. Получено 2009-10-23.
  34. ^ Де Джорджио, Джорджио; Чиеко, Микеле; Лимони, Пьер Паоло; Дзуффиано, Ливия Эмануэла; Драгоне, Виттория; Романацци, Аннарита; Пальяруло, Росселла; Musicco, Джузеппе; Полемио, Маурицио (2020-10-19). «Улучшение регулирования и роль знаний о природных рисках в продвижении устойчивого низкоэнтальпийного использования геотермальной энергии». Вода. 12 (10): 2925. Дои:10.3390 / w12102925. ISSN  2073-4441.

внешняя ссылка