Геотермальная энергетика, перспективы её использования в Золотаревке

Министерство образования и науки Донецкой Народной Республики

Управление образования г. Шахтерска ОШ І-ІІІ ступеней село Золотаревка

Геотермальная энергия, перспективы ее использования в Золотаревке

Работу выполнила:

Малинникова Виктория Александровна,

учащаяся 11 класса

Руководитель:

Конопленко Ирина Ивановна,

зам. директора по УВР

Шахтерск - 2016

Аннотация

к исследовательской работе на тему «Геотермальная энергия, перспективы её использования в Золотаревке».

Актуальность темы исследования связана с неиссякаемостью геотермальной энергии - главным её преимуществом. Данный вид энергии не зависит от условий окружающей среды и времени года. Вопросы предотвращения глобальных изменений климатических условий планеты и защиты окружающей среды, существующие цены на энергоносители и перспективы их роста делают экономически выгодным строительство геотермальных электростанций.

В работе определены объект, предмет, цель, задания, методы и гипотеза исследования, рассмотрены проблемы выбросов парниковых газов в процессе производства тепла и энергии, источники геотермальной энергии, описан принцип работы геотермальной системы отопления, принцип действия теплового насоса. Выполнено экспериментальное конструирование модели дома с геотермальным отоплением. На основании изучения научной литературы и опытно-расчетной и аналитико-статистической деятельности установлено, что в с. Золотаревка есть перспективы использования геотермальной энергии для обогрева жилых помещений.

Введение

Уголь играет большую роль в мировом производстве тепла и энергии. Так, в 2006 г. 41% электроэнергии в мире производилось при сжигании угля. На ряду с пользой уголь является также одним из основных источников выбросов парниковых газов, поскольку его углеродная емкость наибольшая среди других ископаемых видов топлива. Поэтому при сжигании угля выделяется большее количество СО2, чем при сжигании нефти и газа. По данным МЭА, в 2008 году около 42 % от мировых выбросов парниковых газов составили выбросы от сжигания угля. В 1990 г. выбросы парниковых газов от добычи и потребления угля были на уровне 318 млн. т СО₂-экв. и составили 34% от общего количества выбросов в Украине. Причем львиную долю выбросов составляли выбросы от сжигания твердого топлива (около 60%). При сжигании угля средняя запыленность дымовых газов составляет 10 - 50 г/м³ . Так как в селе Золотаревка все дома отапливаются за счет твердого топлива, то вопросы использования дешевого и экологически чистого топлива является актуальным для местного населения.

Предмет исследования - перспективы использования геотермальной энергии в с. Золотаревка для обогрева помещения площадью 80 м².

Объект исследования - геотермальная энергия недр земли в с. Золотаревка как дешевое и экологически чистое топливо.

Цель исследования - теоретически обосновать и практически просчитать возможность использования геотермальной энергии для обогрева помещения площадью 80 м² в с. Золотаревка.

Задания исследования:

1. На основании анализа научной литературы по теме исследования сформулировать проблему и пути её решения.

2. Раскрыть принцип работы геотермальной системы отопления и принцип действия теплового насоса.

3. Построить модель дома с геотермальным экологически чистым отоплением площадью 80 м².

Методы исследования: анализ научной литературы по теме исследования, экспериментальное конструирование модели дома с геотермальным отоплением. Аналитико-статистическая обработка полученных результатов исследования.

Гипотеза исследования: в ходе анализа научной литературы определили возможность использования геотермальной энергии как дешевого и экологически чистого источника тепла.

Проблема и пути ее решения

Уменьшить выбросы парниковых газов можно благодаря использованию природных возобновляемых источников энергии. Одним из альтернативных видов энергии является геотермальная. Геотермальная энергетика - направление, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счет тепловой энергии, содержащейся в недрах земли.

Геотермальная энергия - это энергия в форме тепла, аккумулированная ниже поверхности "твердой" Земли. В 1 л "внутреннего пространства" Земли накоплено в среднем 2,6 кВт энергии. За счет теплоемкости Земли люди могли бы на 30 млн. лет удовлетворить современные мировые потребности в энергии.

Геотермальная энергия - это тепло Земли, которое образуется преимущественно вследствие распада радиоактивных веществ в земной коре и мантии. Температура земной коры вглубь повышается на 2,5 - 3°С через каждые 100 м (так называемый геотермальный градиент). Так, на глубине 20 км она достигает около 500 °С, на глубине 50 км - 700-800 °С. В определенных местах, особенно по краям тектонических плит материков, а также в так называемых "горячих точках", температурный градиент выше почти в 10 раз: на глубине 500-1000 м температура пород достигает 3000 °С. Однако для нормального использования геотермальных энергоресурсов достаточно значительно меньших температур.

Средняя температура Земли на глубине 3-5 м на протяжении года составляет 10-13°С и выше. По современным оценкам, геотермальная энергия, аккумулированная в первых 10 км земной коры, достигает 137 трлн т условного топлива, что в 10 раз превышает геологические ресурсы всех видов топлива, вместе взятых.

Целесообразность развития геотермальной энергетики в Донецкой Народной Республике определяется наличием значительных ресурсов геотермальной энергии на её территории, которые по своим тепловым эквивалентам превышают запасы традиционного энергетического топлива. В России значительные запасы геотермальных вод в Крыму, также в Луганской Народной Республике. Эти запасы уже сегодня рентабельно используются не только для теплоснабжения различных потребителей, но и для производства электроэнергии. Существующие цены на энергоносители и перспективы их роста делают экономически выгодным строительство геотермальных электростанций в упомянутых регионах в ближайшее время. Значительно улучшит ситуацию с теплоснабжением потребителей, позволит использование потенциала даже слабо термальных вод (от + 30°С), запасы которых во многих регионах страны весьма значительные.

Минимальная (технологически приемлемая для производства электроэнергии при существующих технических возможностях) температура горных пород составляет 150°С. Такая температура горных пород в пределах Донбасса зафиксирована на глубине 4-6 км. Согласно проведенной оценке геологические ресурсы геотермальной энергии перспективных на Донбассе площадей в интервале глубин 3-10 км составляют около 15 трлн. т условного топлива, а в интервале глубин до 7 км - 3 трлн. т условного топлива.

В Днепровско-Донецкой впадине и Донбассе прогнозные ресурсы геотермальной энергии в интервале глубин 4-10 км составляют 9 трлн. т, в том числе до 7 км - 1,9 трлн. т условного топлива. Плотность ресурсов на технологически доступных глубинах (4-5 км) составляет около 7 млн. т условного топлива/км.

Применение геотермальной энергии широко практикуется в странах Европы и США для отопления домов, производственных помещений, животноводческих ферм с помощью теплообменников и тепло-насосных установок. Это дает возможность экономить до 50-70% тепла, которое используется для создания температурного режима в помещениях. Для работы этой системы наружный воздух подается в воздуховоды, расположенные на глубине 3 м, а затем в помещение. Зимой воздух под землей нагревается, а затем охлаждается. Такая система вентиляции впервые была смонтирована в 1977 г. в США для создания микроклимата в свинарнике площадью 7,2 x 15 м. Теплообменник состоит из 12 воздуховодов длиной 30 м, заглубленных в землю на 3 м. Вертикальные воздухозаборные участки поднимаются над поверхностью земли на 1,5 м. Горизонтальные воздуховоды размещены вокруг центрального, вертикального, который входит в вентиляционную камеру свинарника. Горизонтальные воздуховоды имеют наклон в сторону вертикальной камеры. Зимой воздух в помещении можно нагреть до +25^оС при температуре снаружи -28^оС, а летом охлаждить до +14^оС при температуре снаружи +35^оС.

Принцип работы геотермальной системы отопления

Принцип работы геотермальной системы отопления простой, заключается в том, что трубопровод поглощает природное земное тепло и перегоняет его через тепловые насосы, в которых происходит повышение его температуры, а затем уже попадает в дом (см. Рис.1. Приложение 1.).

Основа геотермального теплоснабжения - тепловой насос, который обеспечивает выработку и транспортировку тепловой энергии. В большинстве случаев геотермальные тепловые насосы размещают в помещении, а в землю опускают теплообменник. Теплоноситель, который проходит через насос, нагревается и тем самым обеспечивает поддержку в доме стабильной и постоянной температуры, которая обеспечивает комфортное проживание. Тепловой насос и теплообменник обеспечивают не только доставку тепла, но и доставку горячей воды, при этом, не оказывая негативного влияния на окружающую среду.

Принцип действия теплового насоса

Принцип действия теплового насоса прост, аналогичен принципу работы холодильников.

Теплоноситель течет коллектором (внешним контуром) - трубой, что заложена в почву на глубину нескольких метров. Теплоноситель нагревается от почвы на несколько градусов. Далее он попадает в теплообменник (испаритель). Испаритель - это камера, в которой происходит передача тепловой энергии от теплоносителя к специальной жидкости - хладагента. Хладагент - это жидкость, которая превращается в пар (газообразное агрегатное состояние) при невысокой температуре. Немного подогревшись от теплоносителя в теплообменнике, хладагент превращается в газ, «испаряется» и попадает в компрессор насоса.

Компрессор сжимает хладагент, увеличивая его давление, за счет этого происходит большое увеличение температуры. После этого горячий хладагент попадает во второй теплообменник - конденсатор. В этом теплообменнике происходит передача тепловой энергии от хладагента к другому теплоносителю, протекающему в отопительных радиаторах. Одновременно с этим, хладагент охлаждается и конденсируется (переходит в жидкое состояние). Далее хладагент попадает в теплоноситель - испаритель, и цикл повторяется. Так, за счет теплового насоса, теплообменников (испарителя и конденсатора), а также компрессора, энергия земли попадает в отопительные радиаторы.

Принцип работы теплового насоса отображен в цикле Карно, опубликованном в 1824 году в его диссертации, и изучается в школе на уроках физики. Практическую теплонасосную систему предложил лорд Кельвин в 1852 году под названием «умножитель тепла». Принципиальная схема на рисунке(см. Рис.2. Приложение 1.).

По этой схеме видно, что тепловой насос берет тепловую энергию из одного места, переносит ее и отдает в другое место.

Результат

Модель дома с геотермальным экологически чистым отоплением(см. Рис.3. Приложение 1.).

Площадь дома - 80 м2.

Теплообменник состоит из 12 воздуховодов длиной 30 м, заложеных в землю на 3 м. Вертикальные воздухозаборные участки поднимаются над поверхностью земли на 1,5 м. Горизонтальные воздуховоды размещены вокруг центрального, вертикального, которые входят в вентиляционную камеру дома. Горизонтальные воздуховоды имеют наклон в сторону вертикальной камеры. Зимой воздух в помещении можно будет нагреть максимально до +32,15 °С при температуре снаружи -28^оС, а летом охладить до +10^оС при температуре снаружи +35^оС. В условиях нашего жаркого лета при 45^оС снаружи - в доме можно получить самую низкую температуру +13^оС.

Специальной подготовки почвы не требуется. Желательно использовать участок с влажным грунтом, однако сухой грунт - не проблема - необходимо лишь увеличить длину контура. Ориентировочное значение тепловой мощности на 1 м² трубопровода, 20-30 Вт.

Итак, для установки теплового насоса производительностью 10 кВт необходим земляной контур 333-500 м. Для укладки такого контура потребуется участок земли примерно 400-600 м². Контур, уложенный в землю, не оказывает влияние на садовые насаждения. Участок может использоваться для выращивания культур точно так, как и при отсутствии внешнего коллектора.

Приложение 1

Рис.1. Принцип работы геотермальной системы отопления

Рис.2. Принцип работы теплового насоса

Рис.3. Модель дома с геотермальным экологически чистым отоплением