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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Energia geotermica. Tecnica di estrazione dell'acqua geotermica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative L'energia geotermica è ottenuta da fonti di calore con temperature elevate, ha alcune caratteristiche. Uno di questi è che la temperatura del liquido di raffreddamento è significativamente inferiore alla temperatura durante la combustione del carburante. Nonostante il fatto che le riserve totali di energia geotermica siano grandi, la sua qualità termodinamica è bassa. Queste fonti hanno molto in comune con le emissioni di calore industriale e l'energia termica oceanica. La strategia per l'utilizzo dell'energia geotermica è discussa brevemente di seguito. Combinazione di opportunità e bisogni Le fonti geotermiche sono sempre associate ai tentativi di generare elettricità come prodotto di maggior valore, mentre il modo migliore per utilizzare l'energia termica è utilizzare una modalità combinata (produzione di elettricità e riscaldamento). Naturalmente, l'elettricità può essere immessa nel sistema di alimentazione e trasmessa attraverso di essa ai consumatori insieme all'elettricità generata da altre fonti. Allo stesso tempo, non è superfluo menzionare che la richiesta di calore a temperature fino a 100°C è di solito anche superiore a quella dell'elettricità. Pertanto, l'uso dell'energia geotermica sotto forma di calore è altrettanto importante. È probabile che la generazione di elettricità sia interessante se il refrigerante ha una temperatura superiore a 300°C, mentre non lo sarà se quest'ultima è inferiore a 150°C. Il calore non è facilmente trasferibile su distanze superiori a 30 km, quindi deve essere utilizzato vicino al sito di estrazione. Nelle zone a clima freddo, il riscaldamento delle abitazioni e degli edifici industriali crea un notevole fabbisogno di calore se la densità di popolazione è superiore a 300 persone per 1 km2 (più di 100 fattorie per 1 km2). Pertanto, un impianto termico della potenza di 100 MW può servire un'area residenziale di circa 20x20 km con un consumo termico di circa 2 kW per abitazione. Un sistema geotermico simile è stato a lungo utilizzato in Islanda e, in misura minore, in Nuova Zelanda. Altri grandi consumatori di calore sono le serre (fino a 60 MW/km in un'unità per il Nord Europa), gli allevamenti ittici, gli impianti di essiccazione degli alimenti e altre tecnologie. La scala dell'uso dell'energia geotermica è determinata da diversi fattori. Il costo dominante è il costo capitale della costruzione del pozzo, il cui costo aumenta in modo esponenziale con l'aumentare della profondità. Poiché la temperatura aumenta con la profondità e la produzione di energia aumenta con la temperatura, nella maggior parte dei casi la profondità ottimale del pozzo è limitata a circa 5 km. Di conseguenza, la taglia degli impianti viene solitamente scelta per essere superiore a 100 MW (elettrica o termica - per le alte temperature, solo termica - per le basse temperature). La quantità totale di calore recuperato da un pozzo geotermico può essere aumentata mediante reiniezione di rifiuti e acqua parzialmente raffreddata. Questo è un modo conveniente per sbarazzarsi delle acque reflue, che possono essere altamente mineralizzate (contengono fino a 25 kg/m3 di sali) e sono inquinanti ambientali pericolosi. Tuttavia, ciò comporta un aumento del costo delle stazioni. Tecnica di estrazione del calore I progetti implementati con maggior successo hanno pozzi perforati direttamente nei serbatoi naturali sotterranei delle aree geotermiche (Fig. 1). Questo metodo è utilizzato nei Geyser (California) ea Wairakei (Nuova Zelanda), dove c'è una pressione significativa nei pozzi. Metodi simili vengono utilizzati per estrarre energia dalle falde acquifere in aree ad alta temperatura dove la pressione naturale è sufficiente per fare a meno dei sistemi di pompaggio. I recenti sviluppi si sono concentrati sull'estrazione di calore dalle rocce secche, in quanto possono fornire una maggiore produttività rispetto alle fonti d'acqua. Il principale gruppo di specialisti (Los Alamos Scientific Laboratory, USA) ha sviluppato metodi per la frantumazione delle rocce mediante fratturazione idraulica utilizzando acqua fredda iniettata sotto pressione nel pozzo (Fig. 1). Dopo la frantumazione preliminare della roccia, l'acqua viene iniettata attraverso un pozzo di adduzione, filtrata attraverso le rocce a una profondità di circa 5 km ad una temperatura di 250°C, l'acqua calda ritorna in superficie attraverso un pozzo di ricezione. Due di questi pozzi possono fornire energia per un impianto da gigawatt.
Sistemi di generazione di energia elettrica e termica. La selezione di scambiatori di calore e turbine per fonti geotermiche convenzionali è un compito complesso che richiede competenze specialistiche. Diverse opzioni per possibili schemi di GeoTPP sono mostrate in fig. 6.2. Se si utilizzano fonti a bassa temperatura per generare elettricità, è necessario utilizzare altri fluidi di lavoro (ad esempio freon, toluene) al posto dell'acqua per azionare le turbine. I nuovi tipi di tecnologia devono essere più efficienti. Particolari difficoltà possono sorgere con gli scambiatori di calore a causa dell'elevata concentrazione di varie sostanze chimiche nell'acqua di pozzo. Il costo del capitale per la costruzione di un GeoTPP attualmente varia da $ 1500 a $ 2500. per kilowatt di potenza elettrica installata, paragonabile a quella delle centrali nucleari e delle centrali termiche. I principali consumatori di risorse geotermiche nel prossimo e lontano futuro saranno senza dubbio la fornitura di calore e, in misura molto minore, la generazione di energia elettrica. Priorità della fornitura di calore nel bilancio dell'uso di energia elettrica geotermica.
La tecnologia geotermica per l'estrazione di energia termica dal sottosuolo è un insieme di metodi, mezzi e processi per estrarre, elaborare e fornire un vettore di calore con una data qualità e livello di mercato di efficienza economica del suo utilizzo. L'utilizzo dell'energia geotermica a bassa temperatura da basse profondità può essere considerato un fenomeno tecnico ed economico o una vera e propria rivoluzione nel sistema di approvvigionamento termico. In meno di 10 anni, negli Stati Uniti è stata sviluppata una tecnologia multivariante e sono stati costruiti centinaia di migliaia di sistemi di fornitura di calore funzionanti. Ogni anno vengono messi in funzione almeno 50-80mila nuovi impianti. Questa tecnologia viene implementata con successo in altri paesi del mondo: Svezia, Svizzera, Canada, Austria, Germania, Russia. Nel 2002 erano in funzione nel mondo circa 450 impianti di questo tipo con una capacità totale di 2.9 GW (t), con una media di -10 kW (t). I sistemi geotermici di superficie (poco profondi) vengono utilizzati per riscaldare e raffreddare vari tipi di edifici residenziali (dal singolo al multi-appartamento), stazioni di servizio, supermercati, chiese, istituti scolastici, ecc. L'essenza delle tecnologie in esame, rappresentate da impianti in superficie (impianti minerari ed energetici) con scambio termico in pozzi e canali, è quella di realizzare uno scambiatore di calore interrato, a circuito chiuso o aperto, posto a bassa profondità (50 - 300 m) e collegato ad una pompa di calore installata all'interno del locale riscaldato (Fig. 6.3). Allo stesso tempo, nel territorio della Russia centrale si possono utilizzare temperature della roccia comprese tra 7 e 15°C. Questi sistemi estraggono non solo l'energia geotermica immagazzinata nelle rocce o nell'acqua, ma anche l'energia solare. La quota specifica di questa o quella energia utilizzata dall'impianto dipende dalla profondità dello scambiatore di calore, dalle condizioni climatiche e idrogeologiche dell'area. In Russia esiste un'esperienza positiva nella costruzione e nel funzionamento di tali impianti geotermici. In particolare, nella regione di Yaroslavl, è stato realizzato ed è operativo per il secondo anno un sistema di fornitura di calore per una grande scuola rurale, sono in fase di progettazione e realizzazione altre tre unità di questo tipo.
Una valutazione delle tecnologie geotermiche utilizzate nella pratica mondiale mostra che possono essere utilizzate per fornire un'ampia gamma di consumatori di energia termica: da un microdistretto urbano a una singola casa. Sulla base di sistemi di circolazione geotermica (GCC), costituiti da un doppietto di pozzi profondi (fino a 1,5 - 2,5 km), utilizzando pompe di calore e riscaldamento di punta, si ottengono modalità di riscaldamento ad alta temperatura (90 ° C e oltre) con un potenza termica fino a diverse decine di MW. La tecnologia delle pompe di calore geotermiche in pozzi da 50 a 150 m corrisponde a condizioni di media e bassa temperatura, per applicazioni commerciali (negozi, uffici, ecc.) e comunali (scuole, ospedali, ecc.) e per abitazioni e servizi comunali, con una potenza fino a 0,1-0,4, XNUMX MW. Sulla fig. 6.4 mostra gli schemi di fornitura di calore con acqua geotermica.
Il criterio principale per valutare gli effetti di risparmio energetico, economici e ambientali degli impianti geotermici con pompa di calore elettrica è il coefficiente di utilizzo dei vettori energetici primari (PIEC), che è determinato dal prodotto del rendimento. produzione di elettricità (CPIe = 0,30 - 0,35) per la media, durante la vita dell'impianto, del fattore di conversione della pompa di calore (CHPTC). La gamma di SFTC ottenibili utilizzando fonti geotermiche, dal suolo alla salamoia di riserva, a temperature da 5 - 7°C a 35 - 40°C, da 3 a 7 unità e oltre. In questo modo, a seconda del tipo di sorgente, si possono ottenere livelli di KIPI da 1,1 a 2,5 unità, ovvero da 1,2 a 7,0 volte superiori a quelli delle caldaie tradizionali (Fig. 6.5). L'efficienza di un impianto geotermico con PdA elettrica è tanto più elevata rispetto ad un impianto a caldaie tradizionale, quanto maggiore è il rapporto dei loro KPI. Da qui il risparmio nei consumi energetici e la riduzione delle emissioni nocive: 20 - 70%. L'aumento dei prezzi del carburante importato e dei costi di trasporto oggi ha predeterminato lo sviluppo accelerato dell'energia geotermica in Kamchatka, nelle Isole Curili e nelle regioni settentrionali della Russia. Sulla fig. 6.5 sono riportati i coefficienti per l'utilizzo dei vettori energetici primari nelle caldaie tradizionali e geotermiche.
La Russia ha molti anni di esperienza nella ricerca di campi geotermici, nell'esecuzione di operazioni di perforazione su di essi e nella gestione del GeoPP. Da oltre 30 anni, la Pauzhetskaya GeoPP (a sud della Kamchatka) fornisce l'elettricità più economica al villaggio di Ozernaya, dove si concentra la principale produzione di caviale rosso. Nel lontano 1967, la Russia è stata il primo paese al mondo a creare un GeoPP con un ciclo binario utilizzando calore di bassa qualità (acqua calda - 95°C) presso il campo geotermico di Paratunsky in Kamchatka. Autore: Magomedov A.M.
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