Геотермальное отопление – это прямое использование геотермальной энергии для некоторых целей отопления. Таким образом, люди использовали геотермальное тепло еще с эпохи палеолита. В 2004 году около семидесяти стран напрямую использовали в общей сложности 270 ПДж геотермального отопления. По состоянию на 2007 год во всем мире установлено 28 ГВт мощностей геотермального отопления, что удовлетворяет 0,07% мирового потребления первичной энергии. [1] Тепловая эффективность высока, поскольку преобразование энергии не требуется, но коэффициент мощности обычно низкий (около 20%), поскольку тепло в основном требуется зимой.
Геотермальная энергия возникает из тепла, сохранившегося внутри Земли с момента первоначального образования планеты, из радиоактивного распада минералов и из солнечной энергии, поглощенной на поверхности. [2] Большая часть высокотемпературного геотермального тепла собирается в регионах, близких к границам тектонических плит , где вулканическая активность повышается близко к поверхности Земли. В этих областях грунт и грунтовые воды могут иметь температуру, превышающую целевую температуру применения. Однако даже холодная земля содержит тепло. Ниже 6 метров (20 футов) ненарушенная температура грунта постоянно соответствует среднегодовой температуре воздуха [3] , и это тепло можно извлечь с помощью геотермального теплового насоса .
Существует широкий спектр применений дешевого геотермального тепла, включая отопление домов, теплиц, купание и плавание, а также промышленное использование. В большинстве случаев геотермальная энергия используется в виде горячих жидкостей с температурой от 50 ° C (122 ° F) до 150 ° C (302 ° F). Подходящая температура варьируется для различных применений. Для прямого использования геотермального тепла диапазон температур в сельскохозяйственном секторе составляет от 25 °C (77 °F) до 90 °C (194 °F), а для отопления помещений — от 50 °C (122 °F) до 100 °C. С (212 ° F). [4] Тепловые трубки расширяют температурный диапазон до 5 °C (41 °F), поскольку они извлекают и «усиливают» тепло. Геотермальное тепло, превышающее 150 ° C (302 ° F), обычно используется для производства геотермальной энергии . [6]
В 2004 году более половины прямого геотермального тепла было использовано для отопления помещений, а треть — для спа-центров. [1] Остальная часть использовалась для различных промышленных процессов, опреснения, горячего водоснабжения и сельского хозяйства. В городах Рейкьявик и Акюрейри подают горячую воду из геотермальных станций под дороги и тротуары, чтобы растопить снег. Было продемонстрировано геотермальное опреснение .
Геотермальные системы, как правило, выигрывают от эффекта масштаба , поэтому энергия для обогрева помещений часто распределяется между несколькими зданиями, а иногда и целыми сообществами. Эта техника давно практикуется во всем мире в таких местах, как Рейкьявик , Исландия ; [7] Бойсе , Айдахо ; [8] и Кламат-Фолс , Орегон ; [9] известен как централизованное теплоснабжение . [10]
По данным Европейского совета по геотермальной энергии (EGEC), только в Европе в 2016 году действовало 280 геотермальных теплоэлектростанций общей мощностью около 4,9 ГВттепл. [11]
Некоторые части мира, включая значительную часть запада США, подкреплены относительно неглубокими геотермальными ресурсами. [12] Подобные условия существуют в Исландии, некоторых частях Японии и других геотермальных горячих точках по всему миру. В этих районах воду или пар можно собирать из природных горячих источников и подавать по трубам непосредственно в радиаторы или теплообменники . Альтернативно, тепло может поступать из отходящего тепла , подаваемого путем когенерации геотермальной электростанции или из глубоких скважин в горячие водоносные горизонты. Прямое геотермальное отопление гораздо более эффективно, чем производство геотермальной электроэнергии, и требует менее жестких температурных требований, поэтому оно жизнеспособно в широком географическом диапазоне. Если неглубокий грунт горячий, но сухой, воздух или вода могут циркулировать через земляные трубы или скважинные теплообменники , которые действуют как теплообменники с грунтом.
Пар под давлением из глубоких геотермальных ресурсов также используется для производства электроэнергии из геотермальной энергии. Проект глубокого бурения в Исландии обнаружил очаг магмы на высоте 2100 метров. В скважине был построен цементированный стальной корпус с перфорацией на дне, близком к магме. Высокие температуры и давление пара магмы были использованы для выработки 36 МВт электроэнергии, что сделало IDDP-1 первой в мире геотермальной системой, обогащенной магмой. [13]
В районах, где неглубокий грунт слишком холоден, чтобы обеспечить комфорт, он все же теплее, чем зимний воздух. Тепловая инерция неглубокого грунта сохраняет солнечную энергию, накопленную в летнее время, а сезонные колебания температуры грунта полностью исчезают на глубине ниже 10 м. Это тепло можно извлечь с помощью геотермального теплового насоса более эффективно, чем с помощью обычных печей. [10] Геотермальные тепловые насосы экономически выгодны практически в любой точке мира.
Теоретически геотермальную энергию (обычно охлаждающую) можно также получать из существующей инфраструктуры, например, из муниципальных водопроводов. [14]
В регионах, где нет высокотемпературных геотермальных ресурсов, геотермальный тепловой насос (GSHP) может обеспечить отопление и охлаждение помещений. Подобно холодильнику или кондиционеру, эти системы используют тепловой насос для принудительной передачи тепла от земли к зданию. Тепло можно получить из любого источника, каким бы холодным он ни был, но более теплый источник обеспечивает более высокую эффективность. Земляной тепловой насос использует неглубокий грунт или грунтовые воды (обычно начиная с температуры 10–12 ° C или 50–54 ° F) в качестве источника тепла, тем самым используя преимущества его сезонно умеренных температур. [15] Напротив, воздушный тепловой насос потребляет тепло из воздуха (более холодный наружный воздух) и, следовательно, требует больше энергии.
В GSHP жидкость-носитель (обычно смесь воды и небольшого количества антифриза) циркулирует по закрытым петлям труб, закопанным в землю. Системы с одним домом могут представлять собой системы «вертикального петлевого поля» со скважинами глубиной 50–400 футов (15–120 м) или, [16] если имеется достаточная земля для обширных траншей, «горизонтальное петлевое поле» устанавливается примерно в шесть ноги под поверхностью. Когда жидкость циркулирует под землей, она поглощает тепло из 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, извлекаемое и вырабатываемое тепловым насосом в качестве побочного продукта, используется для отопления дома. Добавление контура отопления земли в уравнение энергии означает, что зданию можно передать значительно больше тепла, чем если бы для отопления использовалось только электричество.
Переключая направление теплового потока, ту же систему можно использовать для циркуляции охлажденной воды по дому для охлаждения в летние месяцы. Тепло отводится в относительно более прохладную землю (или грунтовые воды), а не передается горячему наружному воздуху, как это делает кондиционер. В результате тепло перекачивается через большую разницу температур, что приводит к повышению эффективности и снижению энергопотребления. [15]
Эта технология делает геотермальное 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. Глобальная мощность геотермальных тепловых насосов растет на 10% ежегодно. [1]
Горячие источники использовались для купания как минимум со времен палеолита. [17] Самый старый известный курорт — это каменный бассейн на китайской горе Ли , построенный во времена династии Цинь в 3 веке до нашей эры, на том же месте, где позже был построен дворец Хуацин Чи . Геотермальная энергия обеспечивала централизованное отопление бань и домов в Помпеях около 0 лет нашей эры. [18] В первом веке нашей эры римляне завоевали Аква Сулис в Англии и использовали тамошние горячие источники для питания общественных бань и полов с подогревом . [19] Плата за вход в эти ванны, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. В Исландии нашли 1000-летнюю гидромассажную ванну , построенную одним из первых поселенцев острова. [20] Старейшая в мире действующая геотермальная система централизованного теплоснабжения в Шод-Эг , Франция, работает с 14 века. [4] Самая ранняя промышленная эксплуатация началась в 1827 году с использования пара гейзера для извлечения борной кислоты из вулканической грязи в Лардерелло , Италия.
В 1892 году первая в Америке система централизованного теплоснабжения в Бойсе, штат Айдахо , работала непосредственно за счет геотермальной энергии и вскоре была скопирована в Кламат-Фолс, штат Орегон , в 1900 году. В 1926 году для обогрева теплиц в Бойсе использовалась глубокая геотермальная скважина, а также использовались гейзеры. для обогрева теплиц в Исландии и Тоскане примерно в одно и то же время. [21] Чарли Либ разработал первый скважинный теплообменник в 1930 году для обогрева своего дома. 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 году, а Генрих Зелли запатентовал идею использования его для отвода тепла из земли в 1912 году. [22] Но геотермальный тепловой насос появился только в конце 1940-х годов. был успешно реализован. Самой ранней из них, вероятно, была самодельная система прямого обмена мощностью 2,2 кВт, разработанная Робертом К. Уэббером, но источники расходятся во мнениях относительно точных сроков его изобретения. [22] Дж. Дональд Кроекер спроектировал первый коммерческий геотермальный тепловой насос для обогрева здания Содружества (Портленд, Орегон) и продемонстрировал его в 1946 году. [23] [24] Профессор Карл Нильсен из Университета штата Огайо построил первую жилую версию с открытым контуром. в своем доме в 1948 году. [25] Эта технология стала популярной в Швеции в результате нефтяного кризиса 1973 года , и с тех пор ее признание во всем мире постепенно растет. Разработка в 1979 году полибутиленовых труб значительно повысила экономическую эффективность теплового насоса. [23] Начиная с 2000 года, убедительный объем исследований был посвящен численному доказательству преимуществ и эффективности использования CO2, альтернативы воде, в качестве теплопередающей жидкости для рекуперации геотермальной энергии из улучшенных геотермальных систем (EGS), где проницаемость подземных вод источник усиливается за счет гидроразрыва пласта. [26] [27] По состоянию на 2004 год во всем мире установлено более миллиона геотермальных тепловых насосов, обеспечивающих 12 ГВт тепловой мощности. [28] Ежегодно около 80 000 единиц устанавливается в США и 27 000 в Швеции. [28]
Геотермальная энергия — это вид возобновляемой энергии , который способствует сохранению природных ресурсов. По данным Агентства по охране окружающей среды США , системы геообмена экономят домовладельцам 30–70 процентов затрат на отопление и 20–50 процентов расходов на охлаждение по сравнению с обычными системами. [29] Системы геообмена также экономят деньги, поскольку требуют гораздо меньшего обслуживания. Помимо высокой надежности, они рассчитаны на десятилетия.
Некоторые коммунальные предприятия, такие как Kansas City Power and Light , предлагают специальные, более низкие зимние тарифы для потребителей геотермальной энергии, предлагая еще большую экономию. [15]
В проектах геотермального отопления под землей прокладывают траншеи или буровые скважины. Как и при любых подземных работах, проекты могут вызвать проблемы, если геология местности плохо изучена.
Весной 2007 года была проведена разведочная геотермальная буровая операция для обеспечения геотермальным теплом мэрии Штауфен-им-Брайсгау . После первоначального погружения на несколько миллиметров (процесс, называемый оседанием) , [30] центр города начал постепенно подниматься [31], нанося значительный ущерб зданиям в центре города, затрагивая многочисленные исторические дома, включая ратушу. Предполагается, что в результате бурения был пробит слой ангидрита , в результате чего грунтовые воды под высоким давлением вступили в контакт с ангидритом, который затем начал расширяться. В настоящее время конца этому восходящему процессу не видно. [32] [33] [34] Данные радиолокационного спутника TerraSAR-X до и после изменений подтвердили локализованный характер ситуации:
Было подтверждено, что причиной этих поднятий является геохимический процесс, называемый набуханием ангидрита . Это превращение минерала ангидрита (безводного сульфата кальция) в гипс (водный сульфат кальция). Предварительным условием этого преобразования является контакт ангидрита с водой, которая затем сохраняется в его кристаллической структуре. [35] Существуют и другие источники потенциальных рисков, а именно: расширение пещер или ухудшение условий устойчивости, ухудшение качества или количества ресурсов подземных вод, усиление специфической опасности в случае оползнеопасных территорий, ухудшение механических характеристик скальных пород, почвы и воды. загрязнения (т.е. из-за присадок к антифризу или загрязняющих конструктивный и расточный материал). [36] Проект, определенный на основе конкретных геологических, гидрогеологических и экологических знаний, предотвращает все эти потенциальные риски.
Во времена Римской империи теплая вода циркулировала по открытым траншеям для обогрева зданий и бань в Помпеях.