Геотермальное отопление — непосредственное использование геотермальной энергии для некоторых целей отопления. Люди использовали геотермальное тепло таким образом еще с эпохи палеолита. В 2004 году около семидесяти стран напрямую использовали в общей сложности 270 ПДж геотермальной энергии. По состоянию на 2007 год в мире вырабатывалось 28 ГВт мощности геотермальной тепловой энергии, что обеспечивало 0,07 % мирового потребления энергии. Тепловая эффективность этого метода высока, поскольку не требуется преобразования энергии, но коэффициент полезного действия в основном низкий (около 20 %), поскольку тепло в основном требуется зимой.

Геотермальная энергия образуется за счет тепла, сохраняющегося в недрах Земли со времён первоначального образования планеты, за счёт радиоактивного распада минералов и солнечной энергии, поглощаемой поверхностью. Бо́льшая часть высокотемпературного геотермального тепла собирается в регионах, расположенных вблизи границ тектонических плит, где вулканическая активность поднимается близко к поверхности Земли. В этих районах температура земли и грунтовых вод может быть выше. Однако даже холодная земля содержит тепло. На глубине ниже 6 метров температура грунта постоянно соответствует среднегодовой температуре воздуха, и это тепло может быть извлечено с помощью наземного теплового насоса.

Использование +Страны, наиболее активно использующих геотермальное отопление, 2005 годСтранаВыработка, ПДж/годМощность, ГВтКоэффициент полезного действияОсновное применениеКитай45.383.6939 %баниШвеция43.24.233 %тепловые насосыСША31.247.8213 %тепловые насосыТурция24.841.553 %теплоснабжениеИсландия24.51.8442 %теплоснабжениеЯпония10.30.8240 %бани (онсэны)Венгрия7.940.6936 %спа-салоны, теплицыИталия7.550.6139 %спа-салоны, отопление помещенийНовая Зеландия7.090.3173 %промышленное применение63 других716.8Всего2732831 %отопление помещений

+Использование геотермального тепла по категориям в 2015 году, Джон У. ЛундКатегорияГВтч/годГеотермальные тепловые насосы90,293Бани и бассейны33,164Отопление помещений24,508Отопление теплиц7,407Обогрев прудов для аквакультур3,322Промышленное применение2,904Охлаждение, растапливание снега722Сушка в сельском хозяйстве564Другое403Всего163,287

Существует широкий спектр применений дешёвого геотермального тепла, включая отопление домов, теплиц, бань, бассейнов, и промышленное использование. В основном используется геотермальная энергия в виде горячих жидкостей с температурой от 50 °C до 150 °C. Подходящая температура варьируется в зависимости от области применения. Для непосредственного использования геотермального тепла диапазон температур в сельскохозяйственном секторе составляет от 25 °C до 90 °C, а для обогрева помещений — от 50 °C до 100 °C. Тепловые трубки расширяют температурный диапазон до 5 °C. Геотермальное тепло, температура которого превышает 150 °C, обычно используется для выработки геотермальной энергии.

В 2004 году более половины геотермального тепла использовалось для отопления помещений, а треть — для спа-салонов. Оставшаяся часть использовалась для различных промышленных процессов, опреснения воды, горячего водоснабжения для бытовых нужд и в сельском хозяйстве. В городах Рейкьявик и Акюрейри горячая вода с геотермальных установок подается по трубам под дороги и тротуары, чтобы растапливать снег. Было продемонстрировано геотермальное опреснение воды.

Геотермальные системы, нередко выигрывают от масштабирования, поэтому энергия для обогрева помещений часто распределяется по нескольким зданиям, а иногда и по целым районам. Этот метод централизованного теплоснабжения давно применяется по всему миру в таких местах, как Рейкьявик, Бойсе и Кламат-ФолсBrown, Brian.Klamath Falls Geothermal District Heating Systems .

По данным Европейского совета по геотермальной энергетике (EGEC), только в Европе в 2016 году действовало 280 геотермальных электростанций централизованного теплоснабжения общей мощностью около 4,9 ГВтч.

Добыча В некоторых частях света, включая значительную часть запада США, используют геотермальные ресурсы неглубоких залежей. Аналогичные условия существуют в Исландии, некоторых районах Японии и других геотермальных точках по всему миру. В этих районах вода или пар могут добываться из природных горячих источников и направляться по трубопроводам непосредственно в радиаторы или теплообменники. В качестве альтернативы, тепло может поступать из отработанного тепла, вырабатываемого за счет когенерации на геотермальной электростанции или из глубоких скважин. Непосредственное геотермальное отопление намного эффективнее, чем геотермальное производство электроэнергии, и предъявляет меньшие требования к температуре, поэтому оно применимо в широком географическом диапазоне. Если неглубокий грунт горячий, но сухой, то воздух или вода могут циркулировать по подземным трубам или скважинным теплообменникам, которые действуют как теплообменники с землёй.

Теоретически, геотермальная энергия (обычно охлаждающая) также может быть получена из существующей инфраструктуры, такой как муниципальные водопроводы.

Наземные тепловые насосы

В регионах, где нет высокотемпературных геотермальных источников, наземный 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 извлекать из любого источника, каким бы холодным он ни был, но тёплые источники обеспечивают более высокую эффективность. Наземный тепловой насос использует в качестве источника тепла неглубокий грунт или грунтовые воды (с температурой от 10-12 °C), что позволяет использовать умеренные сезонные температурыGoswami, Yogi D., Kreith, Frank, Johnson, Katherine (2008), p. 9-4..

В наземных тепловых насосах циркулирует жидкость (обычно смесь воды и небольшого количества антифриза) по замкнутым трубопроводам, закопанным в землю. Системы для отдельных зданий могут быть системами «вертикального кольцевого поля» со скважинами глубиной 15-120 м или, при наличии достаточного количества земли для траншей большой протяженности, «горизонтальное кольцевое поле» устанавливается на глубине примерно 2 м под землей. Когда жидкость циркулирует под землёй, она поглощает тепло из-под земли, а когда возвращается, нагретая жидкость проходит через тепловой насос, который использует электричество для извлечения тепла из жидкости. Повторно охлаждённая жидкость направляется обратно в землю, и так цикл продолжается. Тепло, отводимое и генерируемое тепловым насосом в качестве побочного продукта, используется для обогрева дома. Добавление контура наземного обогрева означает, что зданию может быть передано значительно больше тепла, чем если бы для отопления использовалось только электричество.

Разворачивая направление теплового потока, можно использовать ту же систему для циркуляции охлажденной воды по дому для охлаждения в летние месяцы. Тепло отводится в относительно более прохладную почву (или грунтовые воды), а не поступает в горячий наружный воздух, как это делает кондиционер. В результате тепло перекачивается через бо́льшую разницу температур, что приводит к повышению эффективности и снижению энергопотребления.

Эта технология делает наземное отопление экономически выгодным в любом географическом месте. В 2004 году около миллиона наземных тепловых насосов общей мощностью 15 ГВт извлекали 88 ПДж тепловой энергии для обогрева помещений. Глобальная мощность наземных тепловых насосов ежегодно растёт на 10 %.

Риски геотермального бурения

В проектах геотермального отопления подземное пространство пронизывается траншеями или буровыми скважинами. Как и при любых подземных работах, это может вызывать проблемы, если геология местности недостаточно изучена.

Весной 2007 года было проведено разведочное геотермальное бурение, чтобы обеспечить геотермальным теплом ратушу Штауфен-им-Брайсгау. После первоначального проседанияThe Telegraph: Geothermal probe sinks German city (March 31, 2008) на несколько миллиметров, центр города начал постепенно подниматься Partial translation., что нанесло значительный ущерб зданиям в центре города, затронув многочисленные исторические здания, включая саму ратушу. Предполагается, что бурение пробило слой ангидрита, в результате чего грунтовые воды под высоким давлением вступили в контакт с ангидритом, который затем начал расширяться. В настоящее время процессу роста не видно конца.

См. также Сезонное хранение тепловой энергии Теорема Карно Теплоснабжение Геотермический градиент Геотермальный тепловой насос

Примечания

Ссылки Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) — Geothermal Technologies Program Idaho National Laboratory — Geothermal Energy Oregon Institute of Technology — Geo-Heat Center Southern Methodist University — Geothermal Lab Geothermal Technologies Program at the US National Renewable Energy Lab The Canadian GeoExchange Coalition

Категория:Отопление Категория:Геотермальная энергетика