Запаси й поширення термальних вод

До областей поширення родовищ термальних вод відносяться: вулканічне кільце басейну Тихого океану, Альпійський складчастий пояс, рифтові долини континентів, серединно-океанічні хребти, платформні занурення й передгірні крайові прогини.

По своєму походженню родовища термальних вод можна підрозділити на два типи, що різняться способом переносу теплової енергії.

Перший тип утворюють геотермальні системи конвекційного походження. Це райони розташування сучасних або нещодавно погаслих вулканів, де на поверхню виходять не тільки гарячі води, але й пароводяна суміш із температурою до 200 °С и більше. На сьогоднішній день всі геотермальні електростанції працюють у районах сучасного вулканізму: Каліфорнія; Серро Присто; Мексика, Ідальго; Сан-Сальвадор; Чилі, Атакама; Ісландія; Араак-Лак; Лардерелло, Монте-Амиата; Угорський басейн; Айдин-Денизлі; Кавказ; Суматра; Ява; Папуа- Нова Гвінея; Нова Британія; Фіджі, Нові Гебриди; Вайракей, Вайотапу; Філіппіни; Японія; Росія, Камчатка.

До родовищ конвекційного типу відносяться також гідротермальні прояви так званих рифтових зон, що характеризуються активним тектонічним режимом і помірковано підвищеними геотермічними градієнтами - 45-70 °С/км. Рифтові зони й пов'язані з ними термоаномалії, як правило, простираються на величезні відстані. Наприклад, Північно-Мексиканський басейн термальних вод простягнувся на 1,5 тис. км, від північно-східної частини Мексики до Флориди. Одна зі свердловин тут із глибини 5859 м дає пароводяну суміш із температурою 273 °С, причому цей флюїд виходить при високому тиску.

Другий тип геотермальних родовищ утвориться при переважному кондуктивному прогріві підземних вод, зосереджених у глибоких платформних западинах і передгірних прогинах. Вони розташовуються в невулканічних районах і характеризуються нормальним геотермічним градієнтом - 30-33 °С/км.

Підрахунки запасів термальних вод ґрунтуються на наявних даних про об'єми гравітаційних вод, що містяться у шарах, об'ємах самих водоносних горизонтів і колекторських властивостей гірських порід, що їх складають. Запаси термальних вод являють собою загальну кількість виявлених термальних вод, що перебувають у порах і тріщинах водоносних гори-парасолів, що мають температуру 40-200° С, мінералізацію до 35 г/л і глибину залягання до 3,5 тис. м від денної поверхні.

Геотермальну енергію можна добувати на різних глибинах. Можливість її використання технічно залежить насамперед від конкретних геологічних і гідрогеологічних умов місцевості. При використанні тепла поверхневого шару (глибини до 100 м) знайшли застосування теплові насоси. При одержанні тепла з більш значних глибин розрізняють два основних способи:

1. Гідротермальний спосіб (глибини від 1.500 до 3.000 м) - гаряча вода, що добувається, за допомогою теплообмінників нагріває воду мережі теплопостачання.

2. Спосіб Hot-Dry-Rock ("гарячий сухий камінь") (глибини від 3.000 до 6.000 м). Тут використовується безпосередньо тепло гарячої гірської породи. Слово "dry" (сухий) стоїть в назві тільки історично, тому що й на великих глибинах вода теж зустрічається.

Геотермальні теплові електростанції (ГеоТЕС) використовують як джерело енергії природні парогідротерми, що залягають на глибині до 5 км. Геотермальна енергетика розвивається досить інтенсивно в США, на Філіппінах, у Мексиці, Італії, Японії, Росії. Сама потужна ГеоТЕС (50 МВт) побудована в США - ГеоТЕС Хебер.

Запаси геотермальної енергії становлять 200 ГВт. Геотермальні ресурси розподілені нерівномірно, і основна їхня частина зосереджена в районі Тихого океану.

У Росії геотермальні джерела економічно розташовані невигідно. Камчатка, Сахалін і Курильські острова відрізняються слабкою інфраструктурою, високою сейсмічністю, малонаселеністю, складним рельєфом місцевості. Загальні запаси цього виду енергії в Росії оцінюються в 2000 МВт. У цей час у Росії діє Паужетська ГеоТЕС на Камчатці потужністю 11 Мвт.

Лекція 6.

Енергетичні ресурси океану. Енергія біомаси

Баланс поновлюваної енергії океану

Основна частка енергії, що надходить у Світовий океан - результат поглинання їм сонячного випромінювання. Енергія надходить в океан також у результаті гравітаційної взаємодії космічних тіл і водних мас планети, що створює припливи, і надходження тепла із глибини планети. Поверхня Світового океану займає близько 70 % поверхні всієї планети й становить приблизно 360 млн. км². Більша частина цієї поверхні постійно вільна від льоду й добре поглинає сонячне випромінювання. В океанській воді приблизно 65 % сонячного випромінювання поглинається першим метром водної товщі й до 90 % - десятиметровим шаром. У денний час у низьких широтах вода прогрівається приблизно на 10 м і більше за рахунок процесів теплопровідності й турбулентного перемішування (тверда поверхня суши прогрівається не більше ніж на 0,5 м).

Запасене океаном тепло частково у вигляді довгохвильового випромінювання (λ >10 мкм) перевипромінюється, а частково передається в атмосферу теплопровідним прикордонним шаром і внаслідок випаровування. Відносна роль цих процесів різна для різних районів планети, але на широтах від 70° півн.ш. до 70° півд.ш. характеризується приблизно однаковими значеннями: довгохвильове випромінювання в атмосферу й космічний простір 41 %; передача тепла атмосфері за рахунок теплопровідності 5 %; втрати на випаровування 54 %.

За рахунок руху повітряних і водних мас запасена океаном енергія переноситься по всій планеті, причому в області між екватором і 70° півн. ш. у середньому 40 % тепла переноситься океанськими течіями, а на 20° півн. ш. внесок океану в перенесення енергії становить до 74%. Щорічно з поверхні океану випаровується шар води товщиною приблизно 1 м (близько 340·10¹² т) і біля 36·10¹² т води повертається зі стіканням рік, льодовиків тощо.

Приблизно 2/3 сумарного сонячного випромінювання зазнають в океані й на поверхні суши різні зміни: перетворюються в тепло 43 %; витрачаються на випаровування, утворення опадів 22 %; надання енергії рікам, вітру, хвилям, різним видам течій в океані 0,2 %. Приблизно 0,02 % всієї енергії сприйнятого сонячного випромінювання йде на утворення продукції фотосинтезу й частково на утворення викопного палива.

Співробітниками океанографічного інституту Скрипсу (США) виконані оцінки сумарних і припустимих для переробки потужностей різних океанічних джерел енергії за п'ять років - з 1977 по 1982 р. Відповідні дані наведені на діаграмах, на яких відзначені два рівні - сумарний і той, що може бути перетворений (заштриховане). Більше пізні оцінки зроблені з урахуванням цілого ряду технологічних і екологічних факторів. Вони, як правило, у частині припустимої до використання енергії виявилися нижче.

Розподіл океанських джерел енергії за потужністю (праві стовпці - за оцінками 1977 р., ліві - за оцінками 1982 р.).

При оцінці можливостей приливної енергетики враховано, що працювати на повну потужність ПЕС можуть тільки протягом 30 % часу.

Дані по океанських течіях отримані з урахуванням 1 % припустимого уповільнення швидкості плину.

При оцінці можливостей енергетичного використання продукції океанського фотосинтезу прийняті в увагу 50 % ефективності перетворення бурих водоростей у метан і можливість розміщення відповідних ферм в 20 % районів природного апвелінгу. Апвелінг- підйом глибинних вод, багатих біогенними речовинами, що грають роль добрив.

Для прибережних хвильових генераторів установлені ККД 50 % і час роботи 40 % річного бюджету часу.

ККД перетворення градієнта солоності прийнятий рівним 3%.

Для вітрових станцій коефіцієнт перетворення енергії вітру прийнятий рівним 60%, і припустимим рівнем вилучення потужності вважають 1 % потужності вітрів, що дують на видаленні від берега.

Немаловажні й такі «технологічні» властивості океанських ресурсів енергії, як щільність енергії й стабільність джерела енергії. Ці властивості визначають розміри майбутніх перетворювачів, необхідні встановлені потужності, режими використання енергії.

Океанські ТЕС

ККД перетворення градієнта температур - 5 %, причому в останньому випадку вважається реальним розмістити перетворювачі на 2 % поверхні океану в тропічній зоні.

Новітні оцінки ККД градієнта тепла становлять близько 3%.

Температура води біля екватора залишається при температурі 26-31^оС вдень та вночі на протязі року. Нижче 100 м (шар перемішування) температура води значно падає до 4^оС на глибинах 800-1000 м. Тому океан має значні запаси холодної та теплої води з перепадом 22-27^оС.

Площа океану з різницею температур у 22^оС та більше становить 60 млн. км². Усереднена потужність (добова та річна) сонячного випромінювання, що абсорбується на одному квадратному кілометрі цього регіону становить 235 МВт

Реалізація пілотних проектів:

Newport News Shipbuilding Co., Avondale Industries, Inc. та Concrete Technology Corporation. Побудували у 1976 146-метрову баржу (the ARCO barge) за проектом OTEC40-MВт.

Міні ОТЕС, що містила 670-м закриту систему труб та була протестована у 1978–1979 мала вихід 18 кВт. Програма була профінансована корпорацією Lockheed Missiles and Space Division.

Уряд Республіки Науру (Океанія) разом із Tokyo Electric Power Co. та the Toshiba Corporation у 1980 побудували 100-kW OTEC. Працював з жовтня 1981 до липня 1982. Це був перший проект базування на островах. Він був підключений до електромереж і мав рекордне значення 31,5 кВт.

Енергетичний потенціал океанських течій

Із всіх океанських джерел течії характеризуються найнижчою щільністю енергії (величина еквівалентного їхньому динамічному тиску стовпа рідини дорівнює всього 0,05 м при швидкості 1 м/с і тільки 5 м при швидкості 10 м/с). Без урахування труднощів створення й обслуговування гігантських споруд у товщі океанських вод, необхідних для утилізації їхньої кінетичної енергії, вони ефективніше, мабуть, тільки перетворювачів сонячної енергії в помірних широтах, де з поверхні площею 1 м² можна одержати не більше 100 Вт. З такої ж площі в поперечному перерізі океанської течії, що має швидкість 1 м/с, можна одержати близько 600 Вт електричної потужності.

Тільки 0,02% сонячної енергії, що надходить у Світовий океан, перетвориться в ньому в кінетичну енергію течій, але й це досить значна величина: при потужності 5–7 ТВт вона становить приблизно 60-10¹² кВт·год/рік. Приблизно 20% цієї енергії йде на переборення сил тертя, а інше витрачається на перенос водних мас з одних районів Світового океану у інші.

Якщо взяти за еталон плину із середніми швидкостями порядку 1 м/с, то можна знайти досить місць для розміщення ОГЕС і у відкритому океані, і поблизу берега. Особливо цікавий у цьому плані Атлантичний океан (Гольфстрім, Північне пасатне, Бенгельське, Гвінейське, Бразильське течії). У Тихому океані увагу привертають Куросіо і його відгалуження. Сумарна потужність Гольфстріму оцінюється в 15 ГВт, а Куросіо - у 50 ГВт.

Енергія біомаси

Біомаса являє собою найдавніше джерело енергії, однак її використання донедавна зводилося до прямого спалювання або у відкритих вогнищах, або в печах і топках, але також з досить низьким ККД. Останнім часом увага до ефективного енергетичного використання біомаси істотно підвищилося, причому на користь цього з'явилися й нові аргументи:

- використання рослинної біомаси за умови її безперервного відновлення (наприклад, нові лісові посадки після вирубки лісу) не приводить до збільшення концентрації СО₂ в атмосфері;

- у промислово розвинених країнах в останні роки з'явилися надлишки оброблюваної землі, що доцільно використовувати під енергетичні плантації;

- енергетичне використання відходів (сільськогосподарських, промислових і побутових) вирішує також екологічні проблеми;

- знову створені технології дозволяють використовувати біомасу значно більш ефективно.

Біомаса по своєму складу може бути вуглецемісткою (рослинний матеріал, деревна тріска, тирса, морські водорості, зерно, папір, пакувальна тара) або цукромісткою (цукровий буряк, цукровий очерет, сорго).

Ферментацією 1 т органічної речовини можна одержати 150-500 м³ паливного газу з теплотою згоряння 4300-6000 ккал/м³, що еквівалентно 0,6-0,8 кг у.п.

Горючі відходи

При аналізі відходів визначають у першу чергу їхню вологість, а також вміст летучих речовин, вуглецю й золи. Склад типових твердих міських відходів наведений у табл.

Тверді міські відходи

Склад типових міських відходів

Хімічний склад типових твердих міських відходів

Використання відстою

Енергетичний вміст неопрацьованого відстою дорівнює приблизно 16 284 кДж/кг сухої речовини. Це означає, що при сучасних темпах нагромадження відстою міських стічних вод з них можна одержати приблизно 1.41 ·10¹⁴ кДж/год.

Однак практичне використання відстою як палива викликає істотні труднощі. Головні труднощі полягають у тому, що високий вологовміст не дозволяє використовувати відстій без сушіння, на яке витрачається фактично вся виділювана в процесі його горіння енергія, не говорячи вже про витрати, пов'язаних з дотриманням установлених норм по запобіганню забруднення навколишнього середовища.

Відходи тваринництва

Відходи тваринництва при безстійловому утриманні худоби не являють інтересу з погляду їхнього використання для одержання енергії: кількість тварин на одиницю площі настільки мало, а розсіювання відходів тваринництва настільки велике, що доставка останніх на підприємство з виробництва енергії виявляється економічно й енергетично невиправданої.

Зовсім інша ситуація складається при утриманні тварин у закритих приміщеннях, таких, як скотовідкормні господарства промислового типу. У цьому випадку кількість відходів, що збираються з одиниці площі, істотно зростає, а витрати на їхній збір і доставку значно скорочуються.

Кількості гною від кожного виду тварин і його склад залежать від раціону живлення й тривалості утримання тварин у закритих приміщеннях. Вміст вологи в гної коливається в межах 60-85%. Відносно високий вміст вологи обмежує технологічні можливості одержання енергії із гною. Теплота згоряння гною в середньому дорівнює 17450 кДж/кг сухої маси.

Використання відходів

Одним з найбільш ефективних способів обробки відходів тваринництва є анаеробна ферментація або біогазифікація . При цьому використовується не тільки одержуваний метан, але й залишки ферментації (перегнивання), які знаходять застосування як органічні добрива або корму для худоби.

Технологія виробництва метану залежить від вмісту у відстої інертних речовин: чим їх більше, тим менше вихід метану на одиницю маси відходів. При біогазификації відходів жуйних тварин замість очікуваного виходу 0,26-0,30 м³ метану/кг органічних речовин виходить усього лише 0,13-0,15 м³ метану/кг органічних речовин внаслідок втрати частини вуглецемісткої речовини в процесі переварювання їжі.

Рослинні залишки

Залишки даного виду складаються в основному із целюлози (вуглецемісткої) і можуть бути відносно легко підготовлені для використання. Залишки зернових культур, за винятком, можливо, рису, належать до відносно сухих культур: вміст вологи в них становить приблизно 15%. Теплота згоряння рослинних залишків більшості цих культур коливається в межах 11 500-18 600 кДж/кг. Середнє значення теплоти згоряння рослинних залишків 16300 кДж/кг.

Велика увага приділяється енергетичному потенціалу відходів цукрового очерету, що утворюються при добуванні цукру, які становлять приблизно 30% маси самого цукрового очерету. Теплота згоряння відходів цукрового очерету становить 18 930 кДж/кг.

Продукти лісу

Структура витрати продуктів лісу

Відходи, що накопичуються в процесі лісозаготівель і лісопереробки можна розділити на дві великі групи: відходи лісу й виробничі відходи.

Перші утворюються безпосередньо в лісі й включають опалі гілки, дерева, що загинули, залишки від згорілих дерев і відходи, що виникають у процесі відбраковування, заготівлі й транспортування.

Оцінка загальної кількості відходів лісу відсутня. Найбільша кількість відходів припадає на відбраковування (у тому числі загиблих і дерев, що перестояли), а також на заготівлю й транспортування. З погляду енергoресурсів саме ці відходи становлять найбільший інтерес.

Відходи при лісозаготівлях переважно складаються з деревини й целюлози, і їх основними складовими елементами є вуглець, кисень і водень. На частку вуглецю припадає близько 50 мас. % кисню – 40 мас. % і водню – 5 мас. %. Теплота згоряння відходів лісозаготівель дорівнює приблизно 18 610 кДж/кг сухої маси. Кількість золи відходів залежить від методу їхнього збору. При виконаннідеяких операцій у відходи попадають мінеральні забруднення у вигляді каменів, бруду й піску, що приводить до різкого збільшення вмісту золи. Звичайно в деревині міститься 1,0 % золи, а в корі - від 2 до 10%.

Водорості й водні макрофіти

Близько 50-70% маси водоростей може ферментуватися. При дослідженні 11 видів судинних водяних рослин було встановлено, що їхня теплота згоряння становить 16 353 - 19058 кДж/кг сухої маси.

Продуктивність наземних і морських рослин