地熱エネルギー。地熱水抽出技術。スキーム、説明

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地熱エネルギー。地熱水を抽出する技術。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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地熱エネルギーは高温の熱源から得られ、いくつかの特徴を持っています。その XNUMX つは、冷却水の温度が燃料の燃焼時の温度よりも大幅に低いことです。地熱エネルギーの総埋蔵量は大きいにもかかわらず、その熱力学的性質は低いです。これらの熱源は、産業排熱や海洋熱エネルギーと多くの共通点を持っています。地熱エネルギー戦略については以下で簡単に説明します。

機会とニーズの組み合わせ

地熱源は、最も価値のある製品として電気を生成する試みと常に関連付けられていますが、熱エネルギーを利用する最良の方法は、複合モード (発電と加熱) を使用することです。もちろん、電力は送電網に供給され、他の電源で生成された電力とともに送電網を通じて消費者に送電されます。同時に、通常、最大 100°C の温度での熱の必要性が電気よりもさらに高いことにも言及する価値があります。したがって、地熱エネルギーを熱の形で利用することも同様に重要です。冷却剤の温度が 300°C を超える場合、発電は重要になる可能性がありますが、冷却剤の温度が 150°C を下回る場合は重要ではありません。

熱は 30 km を超える距離では伝わりにくいため、採掘現場の近くで使用する必要があります。寒冷気候地域では、人口密度が 300 km1 あたり 2 人を超える場合 (100 km1 あたり 2 団地を超える)、住宅や工業用建物の暖房にかなりの熱が必要になります。したがって、100 MWの容量を持つ火力発電所は、世帯あたり約20 kWの熱消費量で約20x2 kmの住宅地にサービスを提供できます。同様の地熱システムは、アイスランドや、程度は低いもののニュージーランドでも長い間使用されてきました。その他の大規模な熱消費者としては、温室 (北欧では 60 つの設備で最大 XNUMX MW/km)、養魚場、食品乾燥設備、およびその他の技術の導入が挙げられます。

地熱エネルギーの使用規模はいくつかの要因によって決まります。主要なコストは井戸の建設にかかる資本コストであり、そのコストは深さが増すにつれて指数関数的に増加します。温度は深さとともに上昇し、エネルギー生産も温度とともに増加するため、ほとんどの場合、最適な井戸の深さは約 5 km に制限されます。結果として、発電所の規模は通常 100 MW 以上に選択されます (高温の場合は電気または火力、低温の場合は火力のみ)。

地熱井から回収される熱の総量は、廃棄物と部分的に冷却された水を再注入することによって増やすことができます。これは、鉱化度が高く（最大 25 kg/m3 の塩分を含む）危険な環境汚染物質である廃水を除去する便利な方法です。しかし、これは駅のコストの増加につながります。

熱抽出技術

最も成功したプロジェクトは、地熱地域の自然の地下貯留層に直接井戸を掘削したものです（図1）。この方法は、井戸内に大きな圧力がかかる間欠泉 (カリフォルニア) とワイラケア (ニュージーランド) で使用されています。同様の方法は、自然の圧力でポンプシステムを必要とせずに十分な温度の高い地域の帯水層からエネルギーを抽出するために使用されます。

最近の開発は、水源よりも生産性が高い乾燥岩石から熱を抽出することを目的としています。主要な専門家グループ（米国ロスアラモス科学研究所）は、井戸に圧力をかけて注入された冷水を使用する水圧破砕によって岩石を破砕する方法を開発しました（図1）。岩石を予備破砕した後、給水井から水が汲み上げられ、深さ約5kmの岩石を通して250℃の温度でろ過され、温水が受け入れ井を通じて地表に戻されます。このような井戸 XNUMX つは、約 XNUMX ギガワットの容量を持つ設備にエネルギーを供給できます。

地熱エネルギー。地熱水抽出技術
図6.1。超熱地域（カリフォルニア州ガイザーズ地熱地帯）の熱水ステーションの配置: 1 - 天然間欠泉。 2 - 発電所。 3 - 深井戸（5 km）。 4 - 蒸気水源 (~280°C); 5 - マントル。 6 - ホットロック

電気と熱の発生システム。従来の地熱源用の熱交換器とタービンの選択は、専門的な経験を必要とする複雑な作業です。考えられる地熱発電所計画のいくつかのオプションを図に示します。 6.2.

発電に低温源を使用する場合は、タービンを駆動するために水の代わりに他の作動流体 (フレオン、トルエンなど) を使用する必要があります。新しいタイプのテクノロジーは効率を高める必要があります。井戸水にはさまざまな化学物質が高濃度で含まれているため、熱交換器では特に問題が発生する可能性があります。地熱発電所の建設にかかる資本コストは現在 1500 ドルから 2500 ドルの範囲です。これは、原子力発電所や火力発電所の電力に匹敵することが判明しました。

近い将来も遠い将来も、地熱資源の主な消費者は間違いなく熱供給と、程度は低いものの発電となるでしょう。地熱発電の利用とのバランスから熱供給を優先。

地熱エネルギー。地熱水抽出技術
図6.2。発電サイクルを組織する例。 XNUMX つの作動流体 (水やフレオンなど) を使用するサイクル (a)。水とフレオンの XNUMX つの作動流体によるサイクル (b); 直接蒸気サイクル (i) と二重回路サイクル (d)。 I - 地熱源; II - タービンサイクル。 III - 冷却水

地熱エネルギーを下層土から抽出する地熱技術は、所定の品質と市場レベルの経済効率を備えた冷却材を抽出、処理、供給するための一連の方法、手段、プロセスです。浅深部からの低温地熱エネルギーの利用は、ある種の技術的、経済的現象、または熱供給システムにおける真の革命と考えることができます。 10 年も経たないうちに、多変量技術が米国で開発され、数十万の稼働中の熱供給システムが構築されました。少なくとも 50 ～ 80 の新しいシステムが毎年稼働しています。この技術は、スウェーデン、スイス、カナダ、オーストリア、ドイツ、ロシアなど、世界の他の国々でも導入され、成功しています。 2002 年には、世界で約 450 万台のこのようなシステムが稼働しており、総容量は 2.9 GW (t)、平均は -10 kW (t) でした。

地表近く（浅層）地熱システムは、さまざまなタイプの住宅建物（一戸建てから集合住宅まで）、ガソリンスタンド、スーパーマーケット、教会、教育機関などの冷暖房に使用されています。

坑井や水路内で熱交換を行う地表近くシステム (鉱山発電所) に代表される検討中の技術の本質は、浅い深さ (50 - 300 m）、暖房室内に設置されたヒートポンプに接続されています（図 6.3）。同時に、中央ロシアの領土では、7〜15℃の範囲の岩石温度を使用できます。

これらのシステムは、岩石や水に蓄えられた地熱エネルギーだけでなく、太陽エネルギーも抽出します。設備によって使用される特定のエネルギーの具体的な割合は、熱交換器の深さ、その地域の気候および水文地質学的条件によって異なります。

ロシアは、このような地熱施設の建設と運営において積極的な経験を持っています。特に、ヤロスラヴリ地域では、大規模な田舎の学校向けの熱供給システムが建設され、XNUMX 年目に稼働しており、さらに XNUMX つの同様のタイプの設備が設計および建設されています。

地熱エネルギー。地熱水抽出技術
A）

地熱エネルギー。地熱水抽出技術
b）の
図6.3。熱交換を伴う地表近く（浅い）地熱システム： a - 水平チャネル。 b - 井戸の中

世界の実践で使用されている地熱技術の評価では、その支援により、都市のマイクロディストリクトから個人の家庭に至るまで、幅広い熱エネルギー消費者に熱エネルギーを提供できることが示されています。地熱循環システム (GCS) に基づいており、1,5 つの深さ (最大 2,5 ～ 90 km) の井戸で構成され、ヒートポンプとピーク再加熱を使用し、最大の熱出力を備えた高温加熱モード (50°C 以上) を備えています。数十MWまで。 150 ～ 0,1 m の井戸における地中ヒートポンプの技術は、商業 (店舗、オフィスなど) および自治体 (学校、病院など) 用途、住宅および公共サービス施設向けの中低温条件に対応します。最大0,4～XNUMXMWの出力。

図上。 6.4は、地熱水による熱供給のスキームを示しています。

図6.4。地熱エネルギーの抽出による熱供給技術 (クリックして拡大): a) GCS に基づく。 b) 深層熱交換器をベースとする。 c) 地中ヒートポンプ

電気ヒートポンプを備えた地熱施設の省エネ効果、経済効果、および環境効果を評価するための主な基準は、効率の積によって決定される一次エネルギー利用率 (PIU) です。発電量（効率 = 0,30 - 0,35）は、設備の耐用年数中のヒートポンプ（CPTN）の換算係数の平均によって算出されます。土壌から地層塩水までの地熱源を使用して、5 ～ 7°C ～ 35 ～ 40°C の温度で、3 ～ 7 単位以上の温度で達成できる CPTN の範囲。したがって、発生源の種類に応じて、1,1 ～ 2,5 単位の CIPI レベルが得られます。これは、従来のボイラーハウスよりも 1,2 ～ 7,0 倍高くなります (図 6.5)。

電気ヒートポンプを備えた地熱発電設備の効率は、CIPI の比率が大きいほど、従来のボイラーハウスと比較してはるかに高くなります。したがって、エネルギー消費の節約と有害な排出物の削減: 20 ～ 70%。

今日、輸入燃料の価格と輸送コストの上昇により、カムチャッカ、千島列島、ロシア北部地域での地熱エネルギー開発の加速が決定されました。

図では、表 6.5 は、従来型および地熱ボイラーハウスにおける一次エネルギーキャリアの使用係数を示しています。

地熱エネルギー。地熱水抽出技術
図6.5。従来型 (t) および地熱型 (g) ボイラーハウスの一次エネルギー利用率 (PEU)

ロシアは、地熱地帯の研究、掘削作業、GeoPP の運営において長年の経験を持っています。 30 年以上にわたり、パウジェツカヤ地域発電所（カムチャツカ南部）は、赤キャビアの主な生産が集中しているオゼルナヤ村に最も安価な電力を供給してきました。 1967 年に遡ると、ロシアはカムチャツカのパラトゥンスキー地熱地帯で低位熱 (熱水 - 95°C) を使用するバイナリーサイクルの GeoPP を構築した世界初の国でした。

著者：マゴメドフA.M.

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