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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Energia geotérmica. Técnica de extração de água geotérmica. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa A energia geotérmica é obtida a partir de fontes de calor com altas temperaturas, possui algumas características. Uma delas é que a temperatura do líquido de arrefecimento é significativamente menor do que a temperatura durante a combustão do combustível. Apesar do fato de que as reservas totais de energia geotérmica são grandes, sua qualidade termodinâmica é baixa. Essas fontes têm muito em comum com as emissões industriais de calor e a energia térmica oceânica. A estratégia para usar a energia geotérmica é brevemente discutida abaixo. Combinação de oportunidades e necessidades As fontes geotérmicas estão sempre associadas a tentativas de gerar eletricidade como o produto mais valioso, enquanto a melhor forma de utilizar a energia térmica é usar um modo combinado (geração de eletricidade e aquecimento). Obviamente, a eletricidade pode ser alimentada no sistema de energia e transmitida através dele aos consumidores junto com a eletricidade gerada por outras fontes. Ao mesmo tempo, não é supérfluo mencionar que a demanda de calor em temperaturas de até 100°C costuma ser ainda maior do que a de eletricidade. Assim, o uso de energia geotérmica na forma de calor é igualmente importante. A geração de eletricidade provavelmente será interessante se o refrigerante tiver uma temperatura superior a 300°C, e não será se esta estiver abaixo de 150°C. O calor não é facilmente transferido em distâncias superiores a 30 km, por isso deve ser usado próximo ao local de extração. Em zonas de clima frio, o aquecimento de residências e edifícios industriais cria uma necessidade significativa de calor se a densidade populacional for superior a 300 pessoas por 1 km2 (mais de 100 domicílios por 1 km2). Assim, uma usina térmica com capacidade de 100 MW pode atender uma área residencial de aproximadamente 20x20 km com um consumo de calor de cerca de 2 kW por domicílio. Um sistema geotérmico semelhante é usado há muito tempo na Islândia e, em menor escala, na Nova Zelândia. Outros grandes consumidores de calor são as estufas (até 60 MW/km em uma unidade para o norte da Europa), pisciculturas, plantas de secagem de alimentos e outras tecnologias. A escala do uso da energia geotérmica é determinada por vários fatores. O custo dominante é o custo de capital da construção do poço, cujo custo aumenta exponencialmente com o aumento da profundidade. Como a temperatura aumenta com a profundidade e a produção de energia aumenta com a temperatura, na maioria dos casos, a profundidade ideal do poço é limitada a cerca de 5 km. Como consequência, a escala das usinas geralmente é escolhida para ser superior a 100 MW (elétrica ou térmica - para altas temperaturas, apenas térmica - para baixas temperaturas). A quantidade total de calor recuperado de um poço geotérmico pode ser aumentada pela reinjeção de resíduos e água parcialmente resfriada. Esta é uma maneira conveniente de se livrar das águas residuais, que podem ser altamente mineralizadas (contêm até 25 kg/m3 de sais) e são perigosos poluentes ambientais. No entanto, isso leva a um aumento no custo das estações. Técnica de extração de calor Os projetos implementados com mais sucesso têm poços perfurados diretamente em reservatórios subterrâneos naturais de áreas geotérmicas (Fig. 1). Este método é utilizado nos Geysers (Califórnia) e Wairakei (Nova Zelândia), onde há pressão significativa nos poços. Métodos semelhantes são usados para extrair energia de aquíferos em áreas de alta temperatura, onde a pressão natural é suficiente para dispensar sistemas de bombeamento. Desenvolvimentos recentes estão focados na extração de calor de rochas secas, pois podem proporcionar maior produtividade do que as fontes de água. O principal grupo de especialistas (Los Alamos Scientific Laboratory, EUA) desenvolveu métodos de britagem de rochas por fraturamento hidráulico usando água fria injetada sob pressão no poço (Fig. 1). Após a trituração preliminar da rocha, a água é injetada através de um poço de abastecimento, filtrada através das rochas a uma profundidade de cerca de 5 km a uma temperatura de 250°C, a água morna retorna à superfície através de um poço receptor. Dois desses poços podem fornecer energia para uma usina de gigawatts.
Sistemas de geração de energia elétrica e térmica. A seleção de trocadores de calor e turbinas para fontes geotérmicas convencionais é uma tarefa complexa que requer conhecimento especializado. Várias opções de esquemas possíveis de GeoTPP mostram-se no figo. 6.2. Se fontes de baixa temperatura forem usadas para gerar eletricidade, outros fluidos de trabalho (por exemplo, freon, tolueno) devem ser usados em vez de água para acionar as turbinas. Novos tipos de tecnologia precisam ser mais eficientes. Dificuldades particulares podem surgir com trocadores de calor devido à alta concentração de vários produtos químicos na água do poço. O custo de capital para construir um GeoTPP atualmente varia de US$ 1500 a US$ 2500. por quilowatt de energia elétrica instalada, comparável às usinas nucleares e termelétricas. Os principais consumidores de recursos geotérmicos em um futuro próximo e distante serão, sem dúvida, o fornecimento de calor e, em muito menor escala, a geração de eletricidade. Prioridade de fornecimento de calor na balança de uso de eletricidade geotérmica.
A tecnologia geotérmica para extração de energia térmica do subsolo é um conjunto de métodos, meios e processos para extrair, processar e entregar um portador de calor com uma determinada qualidade e nível de mercado de eficiência econômica de seu uso. O uso de energia geotérmica de baixa temperatura de profundidades rasas pode ser considerado um fenômeno técnico e econômico ou uma verdadeira revolução no sistema de fornecimento de calor. Em menos de 10 anos, uma tecnologia multivariada foi desenvolvida nos Estados Unidos e centenas de milhares de sistemas operacionais de fornecimento de calor foram construídos. Pelo menos 50-80 mil novos sistemas são colocados em operação todos os anos. Esta tecnologia está sendo implementada com sucesso em outros países do mundo: Suécia, Suíça, Canadá, Áustria, Alemanha, Rússia. Em 2002, havia cerca de 450 desses sistemas operando no mundo com uma capacidade total de 2.9 GW (t), com uma média de -10 kW (t). Os sistemas geotérmicos de superfície (rasos) são usados para aquecer e resfriar vários tipos de edifícios residenciais (de individuais a multiapartamentos), postos de gasolina, supermercados, igrejas, instituições educacionais, etc. A essência das tecnologias em consideração, representadas por sistemas próximos à superfície (instalações de mineração e energia) com troca de calor em poços e canais, é criar um trocador de calor subterrâneo, com circuito fechado ou aberto, localizado a uma profundidade rasa (50 - 300 m) e ligado a uma bomba de calor instalada no interior de uma sala aquecida (Fig. 6.3). Ao mesmo tempo, no território da Rússia Central, podem ser usadas temperaturas de rocha na faixa de 7 a 15°C. Esses sistemas extraem não apenas energia geotérmica armazenada em rochas ou água, mas também energia solar. A parte específica desta ou daquela energia utilizada pela instalação depende da profundidade do permutador de calor, das condições climáticas e hidrogeológicas da zona. Na Rússia, existe uma experiência positiva na construção e operação de tais instalações geotérmicas. Em particular, na região de Yaroslavl, um sistema de aquecimento para uma grande escola rural foi construído e está em operação pelo segundo ano, mais três unidades desse tipo estão sendo projetadas e construídas.
Uma avaliação das tecnologias geotérmicas usadas na prática mundial mostra que elas podem ser usadas para fornecer uma ampla gama de consumidores de energia térmica: de um microdistrito urbano a uma casa individual. Com base em sistemas de circulação geotérmica (GCC), consistindo em um dupleto de poços profundos (até 1,5 - 2,5 km), usando bombas de calor e reaquecimento de pico, são obtidos modos de aquecimento de alta temperatura (90 ° C e acima) com um produção de calor de até várias dezenas de MW. A tecnologia das bombas de calor geotérmicas em poços de 50 - 150 m corresponde a condições de média e baixa temperatura, para aplicações comerciais (lojas, escritórios, etc.) e municipais (escolas, hospitais, etc.) e habitações e serviços comunitários, com uma potência de até 0,1-0,4, XNUMX MW. Na fig. 6.4 mostra os esquemas de fornecimento de calor com água geotérmica.
O principal critério para avaliar os efeitos de economia de energia, econômicos e ambientais das instalações geotérmicas com bomba de calor elétrica é o coeficiente de uso dos portadores de energia primária (PIEC), que é determinado pelo produto da eficiência. geração de eletricidade (CPIe = 0,30 - 0,35) pela média, ao longo da vida útil da instalação, do fator de conversão da bomba de calor (CHPTC). A faixa de SFTC que pode ser alcançada usando fontes geotérmicas, do solo às salmouras do reservatório, em temperaturas de 5 - 7°C a 35 - 40°C, de 3 a 7 unidades e acima. Assim, dependendo do tipo de fonte, podem-se obter níveis de KIPI de 1,1 a 2,5 unidades, o que é 1,2 a 7,0 vezes superior ao das caldeiras tradicionais (Fig. 6.5). A eficiência de uma planta geotérmica com um HP elétrico é tanto maior em comparação com uma planta de caldeira tradicional, quanto maior a proporção de seus KPIs. Assim, a economia no consumo de energia e a redução das emissões nocivas: 20 - 70%. O aumento dos preços do combustível importado e dos custos de transporte predeterminou o desenvolvimento acelerado da energia geotérmica em Kamchatka, nas Ilhas Curilas e nas regiões do norte da Rússia. Na fig. 6.5 apresenta os coeficientes de utilização de portadores de energia primária em caldeiras tradicionais e geotérmicas.
A Rússia tem muitos anos de experiência em pesquisa de campos geotérmicos, realizando operações de perfuração neles e operando o GeoPP. Por mais de 30 anos, o Pauzhetskaya GeoPP (ao sul de Kamchatka) fornece a eletricidade mais barata para a vila de Ozernaya, onde está concentrada a principal produção de caviar vermelho. Em 1967, a Rússia foi o primeiro país do mundo a criar um GeoPP com um ciclo binário usando calor de baixa qualidade (água quente - 95°C) no campo geotérmico Paratunsky em Kamchatka. Autor: Magomedov A. M.
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