Тепловые схемы геотермальной энергетики

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью развития альтернативных и экологически чистых источников энергии в условиях глобального потепления. Развитие геотермальной энергетики позволит производить тепловую и электрическую энергию без выбросов СО2 в окружающую среду и снизить зависимость энергетического сектора от углеводородного сырья. Цель: комплексный анализ особенностей геотермальных электростанций, включая существующие в мире технологии преобразования геотермальной энергии для обеспечения потребителей электрической и тепловой энергией. Объект: схемы геотермальных электростанций, работающие в разных географических и климатических условиях, а также их рабочие тела. Методы: аналитический обзор тематических публикаций с использованием материалов баз данных РИНЦ, Scopus и Web of Science, cравнительный анализ эффективности геотермальных электростанций по различным показателям. Результаты. В настоящее время в мире насчитывается около 400 геотермальных электростанций. Активное развитие геотермальной энергетики обусловлено экологичностью, низкой стоимостью производимой энергии, минимальными эксплуатационными затратами, отсутствием зависимости от атмосферных воздействий, и необходимости сжигания топлива и т. д. При этом большинство геотермальных электростанций в мире используют энергию геотермального источника с температурой воды 100÷200 °С. Среди основных реализуемых термодинамических циклов и тепловых схем можно выделить геотермальные электростанции прямого цикла с одностадийным и двухстадийным разделением геотермального источника, с прямой подачей сухого пара на турбину, бинарного и комбинированного исполнения. Проведенный анализ свидетельствует, что геотермальные электростанции прямого цикла имеют наименьшую стоимость установленной электрической мощности из-за относительной простоты и высокого термического КПД, но требуют высоких параметров геотермального источника. С другой стороны, бинарные геотермальные электростанции имеют наибольшую удельную стоимость, но могут быть реализованы на геотермальных источниках с относительно низкими параметрами воды, что послужило основной причиной их наибольшего распространения в мире. При этом реализация бинарной геотермальной электростанции с органическим циклом Ренкина имеет ряд преимуществ по сравнению с термодинамическими циклами Калины, Стирлинга и Брайтона, среди которых основными являются относительная простота в адаптации и применении, а также небольшая стоимость обслуживания The relevance of the research is caused by the need to develop alternative and environmentally friendly energy sources in conditions of global warming. The development of geothermal energy will make it possible to produce thermal and electric energy without emissions of CO2 into the environment and reduce the dependence of the energy sector on hydrocarbon raw materials. The main aim of this study is a comprehensive analysis of the features of geothermal power plants, including the existing technologies for converting geothermal energy to provide consumers of electric and thermal energy. Objects: diagrams of geothermal power plants operating in different geographical and climatic conditions, as well as their working fluids. Methods: analytical review of thematic publications using the materials of the databases of the RSCI, Scopus and Web of Science, a comparative analysis of the effectiveness of geothermal power plants for various indicators. Results. Currently, there are about 400 geothermal power plants in the world. The active development of geothermal energy is caused by environmental friendliness, low cost of energy produced, minimal operating costs, lack of dependence on atmospheric influences, and the absence of the need to burn fuel, etc. At the same time, most of the world's geothermal power plants use the energy of a geothermal source with a water temperature of 100-200 °C. Among the main thermodynamic cycles and thermal schemes implemented, it is possible to single out direct cycle geothermal power plants with one-stage and two-stage separation of a geothermal source, with direct supply of dry steam to the turbine, binary and combined versions. The analysis shows that direct cycle geothermal power plants have the lowest cost of installed electrical power due to the relative simplicity and high thermal efficiency, but require high parameters of a geothermal source. On the other hand, binary geothermal power plants have the highest unit cost, but can be implemented on geothermal sources with relatively low water parameters, which was the main reason for their greatest spread in the world. At the same time, the implementation of a binary geothermal power plant with a Organic Rankine сycle has a number of advantages compared to the thermodynamic cycles of Kalina, Stirling and Brighton, among which the main ones are relative ease of adaptation and application, as well as low maintenance costs.