Бинарный цикл — это метод производства электроэнергии из геотермальных ресурсов , в котором используются два отдельных жидкостных цикла, следовательно, бинарный цикл . Первичный цикл извлекает геотермальную энергию из резервуара , а вторичный цикл преобразует тепло в работу для привода генератора и выработки электроэнергии . [1]
Бинарные циклы позволяют производить электроэнергию даже из геотермальных ресурсов с низкой температурой (<180°C), которые в противном случае производили бы недостаточное количество пара, чтобы сделать электростанции с импульсной энергетикой экономически жизнеспособными. [2] Однако из-за более низких температур бинарные циклы имеют низкий общий КПД, составляющий около 10-13%. [1]
Горячая жидкость (или геожидкость) из геотермального резервуара подается на поверхность через ствол скважины , при необходимости с помощью насоса. На поверхности горячая геожидкость передает часть своего тепла вторичному циклу через теплообменник , тем самым охлаждаясь в процессе. Холодная геожидкость затем повторно закачивается в геотермальный резервуар через отдельный ствол скважины, где она повторно нагревается. Первичный цикл считается «открытым» циклом. [1]
Вторичный цикл
Холодная рабочая жидкость высокого давления нагревается и испаряется в теплообменнике горячей геожидкостью. Горячий пар под высоким давлением расширяется в турбине, а затем охлаждается и конденсируется в конденсаторе . Чтобы замкнуть контур, холодная жидкость низкого давления повторно подвергается давлению с помощью подающего насоса . Вторичный цикл представляет собой закрытый цикл.
Двумя основными конфигурациями вторичного цикла являются органические циклы Ренкина (ORC) или циклы Калины , основное отличие которых заключается в выборе рабочей жидкости; органическая жидкость (обычно углеводород или хладагент ) или смесь воды и аммиака соответственно. [1]
История
Считается, что самый ранний пример геотермальной электростанции с бинарным циклом был расположен на Искье , Италия , между 1940-1943 годами. Предполагается, что в качестве рабочего тела на заводе использовался этилхлорид при эффективной мощности 250 кВт. Однако из-за того, что в то же время шла Вторая мировая война , об этом конкретном объекте известно немного. [3]
Еще одна геотермальная электростанция бинарного цикла была введена в эксплуатацию в 1967 году недалеко от Петропавловска на полуострове Камчатка , Россия . Его номинальная мощность составляла 670 кВт, и он проработал неизвестное количество лет, подтверждая концепцию геотермальных электростанций с бинарным циклом. [4]
По состоянию на декабрь 2014 года в 15 странах мира существовало 203 геотермальные электростанции бинарного цикла, что составляло 35% всех геотермальных электростанций, но производило лишь 10,4% всей геотермальной энергии (около 1250 МВт). [1]
Вариации
Двойное давление
Рабочая жидкость испаряется при двух разных уровнях давления и, следовательно, температур. Это повышает эффективность за счет снижения эксергетических потерь в первичном теплообменнике за счет обеспечения более точного соответствия между кривой охлаждения геожидкости и кривой нагрева рабочей жидкости. [5]
Двойная жидкость
Два вторичных цикла работают в тандеме, каждый со своей рабочей жидкостью и отдельной точкой кипения. Это повышает эффективность за счет снижения эксергетических потерь процесса подвода тепла, обеспечивая более близкое соответствие кривой охлаждения геожидкости кривым нагрева рабочих жидкостей. [6]
Производительность
Производительность простого бинарного цикла и его отдельных компонентов можно рассчитать следующим образом: [1]
Турбина
— мощность работы турбины, кВт
– массовый расход рабочей жидкости, кг/с
- КПД турбины, безразмерный
– удельная энтальпия рабочего тела на входе в турбину, кДж/кг
– удельная энтальпия рабочего тела на выходе из турбины с учетом изоэнтропического расширения в турбине, кДж/кг
Конденсатор
Приведенное ниже уравнение можно использовать для определения мощности конденсатора и требуемого массового расхода охлаждающей жидкости.
– скорость отвода тепла от рабочего тела в конденсаторе, кВт
& – удельная энтальпия рабочего тела на входе и выходе конденсатора соответственно, кДж/кг.
— массовый расход теплоносителя, кг/с
& – удельная энтальпия теплоносителя на входе и выходе конденсатора соответственно, кДж/кг.
Питательный насос
— скорость работы насоса по восстановлению давления рабочей жидкости, кВт
– удельная энтальпия рабочей жидкости на выходе из питательного насоса в предположении изоэнтропического сжатия, кДж/кг.
– удельная энтальпия рабочей жидкости на входе в питательный насос, кДж/кг
- КПД насоса, безразмерный
Первичный теплообменник
Приведенное ниже уравнение можно использовать для определения мощности первичного теплообменника и требуемого массового расхода геожидкости.
– скорость подвода тепла к рабочему телу в первичном теплообменнике, кВт
– удельная энтальпия рабочего тела на входе в первичный теплообменник, кДж/кг
— массовый расход геожидкости, кг/с
& – удельная энтальпия геожидкости на входе и выходе первичного теплообменника соответственно, кДж/кг.
Эффективность
Можно рассмотреть ряд различных определений эффективности; они обсуждаются ниже. [1]
Эффективность первого закона
КПД первого закона (из Первого закона термодинамики ) является мерой преобразования тепла, подаваемого в цикл, в полезную работу. С учетом реальных потерь и неэффективности реальные геотермальные электростанции с бинарным циклом имеют КПД по первому закону между 10-13%. [1]
Эффективность Карно
КПД Карно дает эффективность идеального термодинамического цикла, действующего между двумя резервуарами с разными температурами, и как таковой обеспечивает теоретический максимум эффективности любого теплового двигателя. По этой причине геотермальная электростанция, производящая горячую геожидкость при температуре 180°C (≈450 К) и отводящую тепло при 25°C (≈298 К), имеет максимальный КПД всего 34%.
& — соответственно горячая и холодная абсолютные температуры, в К
Второй закон эффективности
Второй закон эффективности (из Второго закона термодинамики ) является мерой использования идеально максимальной доступной работы и ее преобразования в полезную работу. [1]
– мощность эксергии геожидкости, кВт.
, & — удельная энтальпия в кДж/кг, удельная энтропия в кДж/кг/К и абсолютная температура геожидкости в местных эталонных условиях в К. Это могут быть местные условия окружающей среды, условия по влажному термометру или условия повторной закачки.
Выбор рабочей жидкости
Рабочая жидкость играет решающую роль в любом бинарном цикле, и ее следует выбирать осторожно. Некоторые критерии выбора подходящей жидкости приведены ниже. [1] [7]
Критическая температура и давление выше максимальной температуры и давления цикла – большая часть тепла передается при максимальной температуре, что повышает эффективность.
Купол насыщения, напоминающий перевернутую букву U, предотвращает выпадение жидкости в турбине, что снижает эффективность, повреждает лопатки турбины и тем самым сокращает срок ее службы.
Высокая теплопроводность – улучшает теплообмен в первичном теплообменнике и конденсаторе, уменьшая общую требуемую площадь теплопередачи и, следовательно, стоимость установки.
^ abcdefghijk Рональд ДиПиппо (2016). Геотермальные электростанции: принципы, применение, тематические исследования и воздействие на окружающую среду (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . стр. 193–240. ISBN 978-0-08-100879-9. Викиданные Q112793147.
^ «Программа геотермальных технологий: гидротермальные энергетические системы» . Программа «Геотермальные технологии»: Технологии . Министерство энергетики США по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE). 06.07.2010 . Проверено 2 ноября 2010 г.
^ Рональд ДиПиппо (январь 2015 г.). «Геотермальные электростанции: эволюция и оценка эффективности». Геотермия . 53 : 291–307. doi :10.1016/J.GEOTHERMICS.2014.07.005. ISSN 0375-6505. Викиданные Q112813717.
^ Рональд ДиПиппо (1980), Геотермальная энергия как источник электричества. Всемирный обзор проектирования и эксплуатации геотермальных электростанций , номер документа : 10.2172/5165898, Викиданные Q112817289.
^ Рональд ДиПиппо (2008). Геотермальные электростанции: принципы, применение, практические примеры и воздействие на окружающую среду . Амстердам: Баттерворт-Хайнеманн.
^ «ДВОЙНОЙ ЖИДКОСТНЫЙ ЦИКЛ». США, патент №3795103 . 1974.
^ Ченгель, Юнус А. и Майкл А. Болес (2002). Термодинамика: инженерный подход, седьмое издание . Бостон: МакГроу-Хилл. стр. Глава 10.
^ Ormat Technologies, Inc. «Бинарные технологии» . Проверено 30 июня 2022 г.
^ «Геотермальная электростанция «Гигантская Тихоокеанская» удостоена экологической награды штата Калифорния» . Ормат. 20 августа 2009 г.
^ "Стимбот-Спрингс".
^ "Геотермальная электростанция Те Хука" . Глобальная энергетическая обсерватория.
^ ab Turboden Spa. «Геотермальный» . Проверено 30 июня 2022 г.