Геотермальное отопление — это прямое использование геотермальной энергии для некоторых отопительных целей. Люди использовали геотермальное тепло таким образом еще со времен палеолита. Примерно семьдесят стран напрямую использовали в общей сложности 270 ПДж геотермального отопления в 2004 году. По состоянию на 2007 год в мире установлено 28 ГВт геотермальной тепловой мощности, что удовлетворяет 0,07% мирового потребления первичной энергии. [1] Тепловая эффективность высока, поскольку не требуется преобразования энергии, но коэффициенты мощности , как правило, низкие (около 20%), поскольку тепло в основном необходимо зимой.
Геотермальная энергия возникает из тепла, удерживаемого Землей с момента ее первоначального формирования, из радиоактивного распада минералов и из солнечной энергии , поглощаемой поверхностью. [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 можно найти грунт и грунтовые воды с температурой выше целевой температуры применения. Однако даже холодная земля содержит тепло. Ниже 6 метров (20 футов) ненарушенная температура земли постоянно соответствует среднегодовой температуре воздуха, [3] и это тепло можно извлечь с помощью теплового насоса, работающего на основе грунта .
Существует широкий спектр применений дешевого геотермального тепла, включая отопление домов, теплиц, купание и плавание или промышленные нужды. Большинство применений используют геотермальное тепло в виде горячих жидкостей 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 отопления помещений — от 50 °C (122 °F) до 100 °C (212 °F). [4] Тепловые трубы расширяют диапазон температур до 5 °C (41 °F), поскольку они извлекают и «усиливают» тепло. Геотермальное тепло, превышающее 150 °C (302 °F), обычно используется для геотермальной генерации электроэнергии . [6]
В 2004 году более половины прямого геотермального тепла использовалось для отопления помещений, а треть использовалась для спа-салонов. [1] Оставшаяся часть использовалась для различных промышленных процессов, опреснения, бытового горячего водоснабжения и сельскохозяйственных нужд. Города Рейкьявик и Акюрейри прокладывают горячую воду из геотермальных установок под дорогами и тротуарами для растапливания снега. Было продемонстрировано геотермальное опреснение .
Геотермальные системы, как правило, выигрывают от экономии масштаба , поэтому энергия для отопления помещений часто распределяется по нескольким зданиям, иногда по целым сообществам. Эта технология, давно практикуемая во всем мире в таких местах, как Рейкьявик , Исландия ; [7] Бойсе , Айдахо ; [8] и Кламат-Фолс , Орегон ; [9], известна как централизованное теплоснабжение . [10]
По данным Европейского совета по геотермальной энергии (EGEC), в 2016 году только в Европе работало 280 геотермальных тепловых станций общей мощностью около 4,9 ГВт. [11]
Некоторые части мира, включая значительные части западной части США, подстилаются относительно неглубокими геотермальными ресурсами. [12] Аналогичные условия существуют в Исландии, частях Японии и других геотермальных горячих точках по всему миру. В этих областях вода или пар могут быть получены из природных горячих источников и переданы по трубам непосредственно в радиаторы или теплообменники . В качестве альтернативы тепло может поступать из отработанного тепла, поставляемого путем когенерации от геотермальной электростанции или из глубоких скважин в горячие водоносные горизонты. Прямое геотермальное отопление намного эффективнее, чем геотермальное производство электроэнергии, и имеет менее жесткие температурные требования, поэтому оно жизнеспособно в большом географическом диапазоне. Если неглубокая почва горячая, но сухая, воздух или вода могут циркулировать через земляные трубы или скважинные теплообменники , которые действуют как теплообменники с землей.
Пар под давлением из глубоких геотермальных ресурсов также используется для выработки электроэнергии из геотермальной энергии. Проект глубокого бурения в Исландии натолкнулся на карман магмы на глубине 2100 м. В скважине был построен цементированный стальной корпус с перфорацией на дне, близко к магме. Высокие температуры и давление пара магмы использовались для выработки 36 МВт электроэнергии, что сделало IDDP-1 первой в мире геотермальной системой, усиленной магмой. [13]
В районах, где неглубокая почва слишком холодная, чтобы обеспечить комфорт напрямую, она все равно теплее зимнего воздуха. Тепловая инерция неглубокой почвы сохраняет солнечную энергию, накопленную летом, а сезонные колебания температуры почвы полностью исчезают ниже 10 м глубины. Это тепло можно извлечь с помощью геотермального теплового насоса более эффективно, чем его можно выработать с помощью обычных печей. [10] Геотермальные тепловые насосы экономически выгодны практически в любой точке мира.
Теоретически геотермальную энергию (обычно охлаждающую) можно также извлекать из существующей инфраструктуры, например, из муниципальных водопроводов. [14]
В регионах без высокотемпературных геотермальных ресурсов тепловой насос с использованием грунтового источника (GSHP) может обеспечить отопление и охлаждение помещений. Подобно холодильнику или кондиционеру, эти системы используют тепловой насос для принудительной передачи тепла из земли в здание. Тепло можно извлекать из любого источника, независимо от того, насколько он холодный, но более теплый источник обеспечивает более высокую эффективность. Тепловой насос с использованием грунтового источника использует неглубокий грунт или грунтовые воды (обычно начинающиеся с 10–12 °C или 50–54 °F) в качестве источника тепла, таким образом используя его умеренные сезонные температуры. [15] Напротив, тепловой насос с использованием воздуха извлекает тепло из воздуха (более холодного наружного воздуха) и, таким образом, требует больше энергии.
GSHP циркулируют жидкость-носитель (обычно смесь воды и небольшого количества антифриза) через замкнутые контуры труб, зарытые в землю. Системы для одного дома могут быть системами «вертикального контура поля» со скважинами глубиной 50–400 футов (15–120 м) или, [16] если имеется достаточная земля для обширных траншей, «горизонтальное контурное поле» устанавливается примерно на шесть футов под землей. Поскольку жидкость циркулирует под землей, она поглощает тепло из земли, и по возвращении нагретая жидкость проходит через тепловой насос, который использует электричество для извлечения тепла из жидкости. Повторно охлажденная жидкость отправляется обратно в землю, таким образом продолжая цикл. Извлеченное тепло и то, что генерируется устройством теплового насоса в качестве побочного продукта, используется для обогрева дома. Добавление контура обогрева земли в энергетическое уравнение означает, что в здание может быть передано значительно больше тепла, чем если бы для отопления использовалось только электричество.
Изменяя направление потока тепла, эту же систему можно использовать для циркуляции охлажденной воды по дому для охлаждения в летние месяцы. Тепло выбрасывается в относительно более холодную землю (или грунтовые воды), а не в горячий наружный воздух, как это делает кондиционер. В результате тепло перекачивается через большую разницу температур, что приводит к более высокой эффективности и меньшему потреблению энергии. [15]
Эта технология делает геотермальное отопление экономически выгодным в любом географическом месте. В 2004 году, по оценкам, миллион геотермальных тепловых насосов общей мощностью 15 ГВт извлекли 88 ПДж тепловой энергии для отопления помещений. Глобальная мощность геотермальных тепловых насосов ежегодно растет на 10%. [1]
Горячие источники использовались для купания по крайней мере со времен палеолита. [17] Самый старый известный спа-центр — это каменный бассейн на горе Ли в Китае , 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 года нашей эры. [18] В первом веке нашей эры римляне завоевали Аква Сулис в Англии и использовали горячие источники там для питания общественных бань и напольного отопления . [19] Плата за вход в эти бани, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. 1000-летняя гидромассажная ванна была найдена в Исландии , где она была построена одним из первых поселенцев острова. [20] Самая старая в мире действующая геотермальная система централизованного отопления 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 напрямую от геотермальной энергии, и вскоре была скопирована в Кламат-Фолс, штат Орегон, в 1900 году. Глубокая геотермальная скважина использовалась для отопления теплиц в Бойсе в 1926 году, а гейзеры использовались для отопления теплиц в Исландии и Тоскане примерно в то же время. [21] Чарли Либ разработал первый скважинный теплообменник в 1930 году для отопления 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 Цолли запатентовал идею использования его для извлечения тепла из земли в 1912 году. [22] Но только в конце 1940-х годов геотермальный тепловой насос был успешно реализован. Самым ранним, вероятно, была самодельная система прямого обмена мощностью 2,2 кВт Роберта К. Уэббера, но источники расходятся во мнениях относительно точной временной шкалы его изобретения. [22] Дж. Дональд Крёкер спроектировал первый коммерческий геотермальный тепловой насос для отопления здания Содружества (Портленд, штат Орегон) и продемонстрировал его в 1946 году. [23] [24] Профессор Карл Нильсен из Университета штата Огайо построил первую жилую версию с открытым контуром у себя дома в 1948 году. [25] Технология стала популярной в Швеции в результате нефтяного кризиса 1973 года и с тех пор медленно набирает популярность во всем мире. Разработка полибутиленовой трубы в 1979 году значительно увеличила экономическую жизнеспособность теплового насоса. [23] С 2000 года убедительный объем исследований был посвящен численному подтверждению преимуществ и эффективности использования CO2, альтернативы воде, в качестве теплопередающей жидкости для извлечения геотермальной энергии из усовершенствованных геотермальных систем (EGS), где проницаемость подземного источника увеличивается за счет гидроразрыва пласта. [26] [27] По состоянию на 2004 год в мире было установлено более миллиона геотермальных тепловых насосов, обеспечивающих 12 ГВт тепловой мощности. [28] Ежегодно в США устанавливается около 80 000 единиц, а в Швеции — 27 000. [28]
Геотермальная энергия — это тип возобновляемой энергии , которая способствует сохранению природных ресурсов. По данным Агентства по охране окружающей среды США , геообменные системы экономят домовладельцам 30–70 процентов расходов на отопление и 20–50 процентов расходов на охлаждение по сравнению с обычными системами. [29] Геообменные системы также экономят деньги, поскольку требуют гораздо меньшего обслуживания. Помимо того, что они очень надежны, они рассчитаны на десятилетия.
Некоторые коммунальные службы, такие как Kansas City Power and Light , предлагают специальные, более низкие зимние тарифы для потребителей геотермальной энергии, что обеспечивает еще большую экономию. [15]
В проектах геотермального отопления под землей прокладываются траншеи или буровые скважины. Как и в случае со всеми подземными работами, проекты могут вызывать проблемы, если геология местности плохо изучена.
Весной 2007 года была проведена разведочная операция по геотермальному бурению для обеспечения геотермальным теплом ратуши Штауфен-им-Брайсгау . После первоначального опускания на несколько миллиметров, процесса, называемого просадкой , [30] центр города начал постепенно подниматься [31], что нанесло значительный ущерб зданиям в центре города, затронув многочисленные исторические дома, включая ратушу. Предполагается, что бурение пробило слой ангидрида, в результате чего грунтовые воды под высоким давлением вошли в контакт с ангидридом, который затем начал расширяться. В настоящее время конца процессу подъема не видно. [32] [33] [34] Данные с радиолокационного спутника TerraSAR-X до и после изменений подтвердили локализованный характер ситуации:
Геохимический процесс, называемый набуханием ангидрида , был подтвержден как причина этих поднятий . Это преобразование минерала ангидрида (безводного сульфата кальция) в гипс (водный сульфат кальция). Предпосылкой для этого преобразования является то, что ангидрит находится в контакте с водой, которая затем сохраняется в его кристаллической структуре. [35] Существуют и другие источники потенциальных рисков, а именно: расширение пещеры или ухудшение условий стабильности, ухудшение качества или количества ресурсов подземных вод, специфическое ухудшение опасности в случае оползнеопасных зон, ухудшение механических характеристик скальных пород, загрязнение почвы и воды (например, из-за добавок антифриза или загрязняющих строительных и буровых материалов). [36] Проект, определенный на основе геологических, гидрогеологических и экологических знаний, характерных для конкретного участка, предотвращает все эти потенциальные риски.
Во времена Римской империи теплая вода циркулировала по открытым траншеям для отопления зданий и бань в Помпеях.