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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Geothermische Energie. Techniken zur Gewinnung geothermischen Wassers. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Geothermie wird aus Wärmequellen mit hohen Temperaturen gewonnen und weist einige Besonderheiten auf. Einer davon ist, dass die Temperatur des Kühlmittels deutlich niedriger ist als die Temperatur bei der Kraftstoffverbrennung. Obwohl die Gesamtreserven der Geothermie groß sind, ist ihre thermodynamische Qualität gering. Diese Quellen haben viel mit industriellen Wärmeemissionen und der thermischen Energie des Ozeans gemeinsam. Im Folgenden wird kurz auf die Geothermie-Strategie eingegangen. Kombination von Möglichkeiten und Bedürfnissen Geothermie ist immer mit dem Versuch verbunden, Strom als wertvollstes Produkt zu erzeugen, während thermische Energie am besten durch eine kombinierte Betriebsart (Stromerzeugung und Heizung) genutzt werden kann. Natürlich kann Strom in das Stromnetz eingespeist und über dieses zusammen mit Strom aus anderen Quellen an die Verbraucher weitergeleitet werden. Gleichzeitig ist zu erwähnen, dass der Bedarf an Wärme bei Temperaturen bis 100°C meist sogar höher ist als bei Strom. Ebenso wichtig ist die Nutzung der Erdwärme in Form von Wärme. Die Stromerzeugung dürfte interessant sein, wenn die Kühlmitteltemperatur über 300 °C liegt, nicht jedoch, wenn diese unter 150 °C liegt. Über Entfernungen von mehr als 30 km lässt sich Wärme nur schwer übertragen, daher muss sie in der Nähe des Abbauortes genutzt werden. In kalten Klimazonen entsteht durch die Beheizung von Wohn- und Industriegebäuden ein erheblicher Wärmebedarf, wenn die Bevölkerungsdichte mehr als 300 Menschen pro 1 km2 beträgt (mehr als 100 Siedlungen pro 1 km2). Somit kann ein Heizkraftwerk mit einer Leistung von 100 MW ein Wohngebiet von ca. 20x20 km mit einem Wärmeverbrauch von ca. 2 kW pro Haushalt versorgen. Ein ähnliches Geothermiesystem wird seit langem in Island und in geringerem Umfang auch in Neuseeland genutzt. Weitere große Wärmeverbraucher sind Gewächshäuser (bis zu 60 MW/km in einer Anlage für Nordeuropa), Fischfarmen, Lebensmitteltrocknungsanlagen und für die Umsetzung anderer Technologien. Mehrere Faktoren bestimmen den Umfang der geothermischen Energienutzung. Die dominierenden Kosten sind die Kapitalkosten für den Bau von Brunnen, deren Kosten mit zunehmender Tiefe exponentiell steigen. Da die Temperatur mit der Tiefe steigt und die Energieproduktion mit der Temperatur zunimmt, ist die optimale Bohrlochtiefe in den meisten Fällen auf etwa 5 km begrenzt. Infolgedessen wird die Größe der Kraftwerke in der Regel auf mehr als 100 MW gewählt (elektrisch oder thermisch – für hohe Temperaturen, nur thermisch – für niedrige Temperaturen). Die Gesamtmenge der aus einer Geothermiebohrung gewonnenen Wärme kann durch die erneute Einspeisung von Abfall und teilweise abgekühltem Wasser erhöht werden. Dies ist eine bequeme Möglichkeit, Abwässer zu entsorgen, die stark mineralisiert sein können (bis zu 25 kg/m3 Salze enthalten) und gefährliche Umweltschadstoffe darstellen. Dies führt jedoch zu einer Erhöhung der Stationskosten. Wärmeextraktionstechnik Bei den am erfolgreichsten umgesetzten Projekten handelt es sich um Bohrungen, die direkt in die natürlichen unterirdischen Reservoire geothermischer Gebiete gebohrt werden (Abb. 1). Diese Methode wird in Geysiren (Kalifornien) und Wairakea (Neuseeland) verwendet, wo in den Bohrlöchern ein erheblicher Druck herrscht. Ähnliche Methoden werden zur Energiegewinnung aus Grundwasserleitern in stark thermischen Gebieten eingesetzt, wo der natürliche Druck ausreicht, um auf Pumpsysteme zu verzichten. Jüngste Entwicklungen zielen darauf ab, Wärme aus trockenen Gesteinen zu gewinnen, da diese eine höhere Produktivität bieten können als Wasserquellen. Eine führende Gruppe von Spezialisten (Los Alamos Scientific Laboratory, USA) hat Methoden zum Zerkleinern von Gesteinen durch hydraulisches Brechen entwickelt, bei dem kaltes Wasser unter Druck in ein Bohrloch eingespritzt wird (Abb. 1). Nach der Vorzerkleinerung des Gesteins wird Wasser durch einen Versorgungsbrunnen gepumpt, bei einer Temperatur von 5 °C durch Felsen in einer Tiefe von etwa 250 km gefiltert und warmes Wasser über einen Aufnahmebrunnen an die Oberfläche zurückgeführt. Zwei solcher Brunnen können eine Anlage mit einer Leistung von etwa einem Gigawatt mit Energie versorgen.
Strom- und Wärmeerzeugungsanlagen. Die Auswahl von Wärmetauschern und Turbinen für konventionelle Geothermiequellen ist eine komplexe Aufgabe, die spezielle Erfahrung erfordert. In Abb. sind mehrere Optionen für mögliche Geothermiekraftwerkskonzepte dargestellt. 6.2. Werden Niedertemperaturquellen zur Stromerzeugung genutzt, müssen zum Antrieb der Turbinen anstelle von Wasser andere Arbeitsflüssigkeiten (z. B. Freon, Toluol) verwendet werden. Neue Technologien müssen die Effizienz steigern. Besondere Schwierigkeiten können sich bei Wärmetauschern aufgrund der hohen Konzentration verschiedener Chemikalien im Brunnenwasser ergeben. Die Investitionskosten für den Bau von Geothermiekraftwerken liegen derzeit zwischen 1500 und 2500 Dollar. pro Kilowatt installierter elektrischer Leistung, was sich als vergleichbar mit denen für Kernkraftwerke und thermische Kraftwerke erweist. Die Hauptverbraucher geothermischer Ressourcen werden in naher und ferner Zukunft zweifellos die Wärmeversorgung und in deutlich geringerem Maße die Stromerzeugung sein. Vorrang der Wärmebereitstellung in der Bilanz der geothermischen Stromnutzung.
Die Geothermietechnik zur Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Untergrund ist eine Reihe von Methoden, Mitteln und Prozessen zur Gewinnung, Verarbeitung und Lieferung von Kühlmittel mit einer bestimmten Qualität und Marktwirtschaftlichkeit seiner Nutzung. Die Nutzung von Niedertemperatur-Geothermie aus geringer Tiefe kann als eine Art technisches und wirtschaftliches Phänomen oder als echte Revolution im Wärmeversorgungssystem angesehen werden. In weniger als 10 Jahren wurde in den USA eine multivariate Technologie entwickelt und Hunderttausende funktionierende Wärmeversorgungssysteme gebaut. Jährlich werden mindestens 50 bis 80 neue Anlagen in Betrieb genommen. Diese Technologie wird in anderen Ländern der Welt erfolgreich implementiert: Schweden, Schweiz, Kanada, Österreich, Deutschland, Russland. Im Jahr 2002 waren weltweit etwa 450 solcher Anlagen mit einer Gesamtkapazität von 2.9 GW (t) in Betrieb, bei einem Durchschnitt von -10 kW (t). Oberflächennahe (flache) Geothermiesysteme werden zum Heizen und Kühlen verschiedener Arten von Wohngebäuden (vom Einfamilienhaus bis zum Mehrfamilienhaus), Tankstellen, Supermärkten, Kirchen, Bildungseinrichtungen usw. eingesetzt. Der Kern der betrachteten Technologien, repräsentiert durch oberflächennahe Systeme (Bergbaukraftwerke) mit Wärmeaustausch in Brunnen und Kanälen, besteht darin, einen unterirdischen Wärmetauscher mit geschlossenem oder offenem Kreislauf in geringer Tiefe zu schaffen (50 - 300 m) und an eine im beheizten Raum installierte Wärmepumpe angeschlossen (Abb. 6.3). Gleichzeitig können im Gebiet Zentralrusslands Gesteinstemperaturen im Bereich von 7 bis 15°C genutzt werden. Diese Anlagen gewinnen nicht nur in Gesteinen oder Wasser gespeicherte Erdwärme, sondern auch Sonnenenergie. Der spezifische Anteil einer bestimmten Energie, die von der Anlage verbraucht wird, hängt von der Tiefe des Wärmetauschers sowie den klimatischen und hydrogeologischen Bedingungen des Gebiets ab. Russland hat gute Erfahrungen mit dem Bau und Betrieb solcher Geothermieanlagen. Insbesondere in der Region Jaroslawl wurde ein Wärmeversorgungssystem für eine große ländliche Schule gebaut und ist bereits im zweiten Jahr in Betrieb; drei weitere Anlagen ähnlicher Art sind in Planung und Bau.
Eine Bewertung der in der Weltpraxis eingesetzten Geothermietechnologien zeigt, dass mit ihrer Hilfe ein breites Spektrum an Wärmeenergieverbrauchern versorgt werden kann: vom städtischen Mikrobezirk bis zum Einzelhaus. Basierend auf geothermischen Zirkulationssystemen (GCS), bestehend aus einem Dublett tiefer (bis zu 1,5 – 2,5 km) Brunnen, unter Verwendung von Wärmepumpen und Spitzennacherwärmung, Hochtemperatur-Heizmodi (90 °C und mehr) mit einer thermischen Leistung von bis zu 50 °C bis zu mehreren zehn MW. Die Technologie der Erdwärmepumpen in Brunnen 150 - 0,1 m entspricht mittleren und niedrigen Temperaturbedingungen, für gewerbliche (Geschäfte, Büros usw.) und kommunale (Schulen, Krankenhäuser usw.) Anwendungen sowie Wohn- und kommunale Dienstleistungseinrichtungen mit a Leistung von bis zu 0,4-XNUMX MW. Auf Abb. 6.4 zeigt die Schemata der Wärmeversorgung mit geothermischem Wasser.
Das Hauptkriterium zur Beurteilung der energiesparenden, wirtschaftlichen und ökologischen Auswirkungen von Geothermieanlagen mit elektrischer Wärmepumpe ist der Primärenergienutzungsfaktor (PIU), der durch das Produkt des Wirkungsgrades bestimmt wird. Stromproduktion (Wirkungsgrad = 0,30 - 0,35) durch den durchschnittlichen, während der Lebensdauer der Anlage, Umrechnungsfaktor der Wärmepumpe (CPTN). Der CPTN-Bereich, der mit geothermischen Quellen erreicht werden kann, vom Boden bis zur Formationssole, bei Temperaturen von 5 – 7 °C bis 35 – 40 °C, von 3 bis 7 Einheiten und mehr. Somit können je nach Art der Quelle CIPI-Werte von 1,1 bis 2,5 Einheiten erreicht werden, was 1,2- bis 7,0-mal höher ist als bei herkömmlichen Kesselhäusern (Abb. 6.5). Der Wirkungsgrad einer Erdwärmeanlage mit elektrischer Wärmepumpe ist im Vergleich zu einem herkömmlichen Kesselhaus umso höher, je größer ihr CIPI-Verhältnis ist. Dadurch Einsparungen beim Energieverbrauch und Reduzierung schädlicher Emissionen: 20 - 70 %. Steigende Preise für importierten Treibstoff und Transportkosten prägten heute die beschleunigte Entwicklung der Geothermie in Kamtschatka, den Kurilen und den nördlichen Regionen Russlands. In Abb. Tabelle 6.5 zeigt die Nutzungskoeffizienten der Primärenergieträger in traditionellen und geothermischen Kesselhäusern.
Russland verfügt über langjährige Erfahrung in der Erforschung geothermischer Felder, der Durchführung von Bohrarbeiten und dem Betrieb von GeoPPs. Seit mehr als 30 Jahren versorgt das GeoPP Pauzhetskaya (südliches Kamtschatka) das Dorf Ozernaya, in dem sich die Hauptproduktion von rotem Kaviar konzentriert, mit dem günstigsten Strom. Bereits 1967 war Russland das erste Land der Welt, das im Geothermiefeld Paratunsky in Kamtschatka ein GeoPP mit einem binären Kreislauf unter Nutzung von Wärme mit niedrigem Potenzial (heißes Wasser – 95 °C) errichtete. Autor: Magomedov A.M.
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