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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Energía geotérmica. Técnica de extracción de agua geotérmica. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía La energía geotérmica se obtiene de fuentes de calor con altas temperaturas, tiene algunas características. Uno de ellos es que la temperatura del refrigerante es significativamente más baja que la temperatura durante la combustión del combustible. A pesar de que las reservas totales de energía geotérmica son grandes, su calidad termodinámica es baja. Estas fuentes tienen mucho en común con las emisiones de calor industrial y la energía térmica oceánica. La estrategia para el uso de la energía geotérmica se analiza brevemente a continuación. Combinación de oportunidades y necesidades. Las fuentes geotérmicas siempre se asocian con los intentos de generar electricidad como el producto más valioso, mientras que la mejor manera de utilizar la energía térmica es usar un modo combinado (generación de electricidad y calefacción). Por supuesto, la electricidad puede introducirse en el sistema de energía y transmitirse a través de él a los consumidores junto con la electricidad generada por otras fuentes. Al mismo tiempo, no está de más mencionar que la demanda de calor a temperaturas de hasta 100 °C suele ser incluso mayor que la de electricidad. Por lo tanto, el uso de la energía geotérmica en forma de calor es igualmente importante. Es probable que la generación de electricidad sea de interés si el refrigerante tiene una temperatura de más de 300°C, y no lo será si esta última está por debajo de los 150°C. El calor no se transfiere fácilmente a distancias superiores a 30 km, por lo que debe utilizarse cerca del lugar de extracción. En zonas de clima frío, la calefacción de viviendas y naves industriales genera una importante necesidad de calor si la densidad de población es superior a 300 personas por 1 km2 (más de 100 viviendas por 1 km2). Así, una planta térmica con una capacidad de 100 MW puede atender una zona residencial de aproximadamente 20x20 km con un consumo de calor de unos 2 kW por vivienda. Un sistema geotérmico similar se ha utilizado durante mucho tiempo en Islandia y, en menor medida, en Nueva Zelanda. Otros grandes consumidores de calor son los invernaderos (hasta 60 MW/km en una unidad para el norte de Europa), las piscifactorías, las plantas de secado de alimentos y otras tecnologías. La escala del uso de la energía geotérmica está determinada por varios factores. El costo dominante es el costo de capital de la construcción de pozos, cuyo costo aumenta exponencialmente con el aumento de la profundidad. Dado que la temperatura aumenta con la profundidad y la producción de energía aumenta con la temperatura, en la mayoría de los casos, la profundidad óptima del pozo se limita a unos 5 km. Como consecuencia, la escala de las centrales eléctricas suele elegirse a más de 100 MW (eléctricas o térmicas, para altas temperaturas, solo térmicas, para bajas temperaturas). La cantidad total de calor recuperado de un pozo geotérmico se puede aumentar mediante la reinyección de agua residual y parcialmente enfriada. Esta es una forma conveniente de deshacerse de las aguas residuales, que pueden estar altamente mineralizadas (contener hasta 25 kg/m3 de sales) y son peligrosos contaminantes ambientales. Sin embargo, esto conduce a un aumento en el costo de las estaciones. Técnica de extracción de calor Los proyectos implementados con más éxito tienen pozos perforados directamente en depósitos subterráneos naturales de áreas geotérmicas (Fig. 1). Este método se utiliza en los Geysers (California) y en Wairakei (Nueva Zelanda), donde existe una presión importante en los pozos. Se utilizan métodos similares para extraer energía de los acuíferos en áreas de alta temperatura donde la presión natural es suficiente para prescindir de los sistemas de bombeo. Los desarrollos recientes se centran en la extracción de calor de las rocas secas, ya que pueden proporcionar una mayor productividad que las fuentes de agua. El grupo líder de especialistas (Laboratorio Científico de Los Álamos, EE. UU.) desarrolló métodos para triturar rocas mediante fracturación hidráulica utilizando agua fría inyectada a presión en el pozo (Fig. 1). Después de la trituración preliminar de rocas, se inyecta agua a través de un pozo de suministro, se filtra a través de rocas a una profundidad de unos 5 km a una temperatura de 250°C, el agua tibia regresa a la superficie a través de un pozo receptor. Dos pozos de este tipo pueden proporcionar energía para una planta de gigavatios.
Sistemas de generación de energía eléctrica y térmica. La selección de intercambiadores de calor y turbinas para fuentes geotérmicas convencionales es una tarea compleja que requiere experiencia especializada. Varias opciones para posibles esquemas de GeoTPP se muestran en la fig. 6.2. Si se usan fuentes de baja temperatura para generar electricidad, entonces se deben usar otros fluidos de trabajo (por ejemplo, freón, tolueno) en lugar de agua para impulsar las turbinas. Los nuevos tipos de tecnología deben ser más eficientes. Pueden surgir dificultades particulares con los intercambiadores de calor debido a la alta concentración de varios químicos en el agua de pozo. El costo de capital de construir un GeoTPP actualmente oscila entre $1500 y $2500. por kilovatio de potencia eléctrica instalada, comparables a los de las centrales nucleares y las centrales térmicas. Los principales consumidores de recursos geotérmicos en un futuro próximo y lejano serán, sin duda, el suministro de calor y, en mucha menor medida, la generación de electricidad. Prioridad del suministro de calor en el balance de uso de la electricidad geotérmica.
La tecnología geotérmica para la extracción de energía térmica del subsuelo es un conjunto de métodos, medios y procesos para extraer, procesar y entregar un portador de calor con una determinada calidad y nivel de mercado de eficiencia económica de su uso. El uso de energía geotérmica de baja temperatura desde poca profundidad puede considerarse como un fenómeno técnico y económico o una verdadera revolución en el sistema de suministro de calor. En menos de 10 años, se ha desarrollado una tecnología multivariante en los Estados Unidos y se han construido cientos de miles de sistemas operativos de suministro de calor. Cada año se ponen en funcionamiento al menos 50-80 mil sistemas nuevos. Esta tecnología se está implementando con éxito en otros países del mundo: Suecia, Suiza, Canadá, Austria, Alemania, Rusia. En 2002, había alrededor de 450 sistemas de este tipo en funcionamiento en el mundo con una capacidad total de 2.9 GW (t), con un promedio de -10 kW (t). Los sistemas geotérmicos superficiales (poco profundos) se utilizan para calentar y enfriar varios tipos de edificios residenciales (desde individuales hasta apartamentos múltiples), estaciones de servicio, supermercados, iglesias, instituciones educativas, etc. La esencia de las tecnologías en consideración, representadas por sistemas cercanos a la superficie (instalaciones de minería y energía) con intercambio de calor en pozos y canales, es crear un intercambiador de calor subterráneo, con un circuito cerrado o abierto, ubicado a poca profundidad (50 - 300 m) y conectado a una bomba de calor instalada en el interior de la habitación climatizada (Fig. 6.3). Al mismo tiempo, en el territorio de Rusia Central, se pueden usar temperaturas de roca en el rango de 7 a 15°C. Estos sistemas extraen no solo la energía geotérmica almacenada en las rocas o el agua, sino también la energía solar. La parte específica de esta o aquella energía utilizada por la instalación depende de la profundidad del intercambiador de calor, las condiciones climáticas e hidrogeológicas del área. En Rusia, existe una experiencia positiva en la construcción y operación de este tipo de instalaciones geotérmicas. En particular, en la región de Yaroslavl, se construyó un sistema de suministro de calor para una gran escuela rural y está en funcionamiento por segundo año, se están diseñando y construyendo tres unidades más de este tipo.
Una evaluación de las tecnologías geotérmicas utilizadas en la práctica mundial muestra que pueden utilizarse para proporcionar una amplia gama de consumidores de energía térmica: desde un microdistrito urbano hasta una casa individual. Sobre la base de los sistemas de circulación geotérmica (GCC), que consisten en un doblete de pozos profundos (hasta 1,5 - 2,5 km), que utilizan bombas de calor y recalentamiento máximo, se obtienen modos de calefacción de alta temperatura (90 ° C y más) con un producción de calor de hasta varias decenas de MW. La tecnología de bombas de calor geotérmicas en pozos de 50 - 150 m corresponde a condiciones de media y baja temperatura, para aplicaciones comerciales (tiendas, oficinas, etc.) y municipales (escuelas, hospitales, etc.) y servicios habitacionales y comunales, con una potencia de hasta 0,1-0,4 MW. En la fig. 6.4 muestra los esquemas de suministro de calor con agua geotérmica.
El criterio principal para evaluar los efectos económicos, ambientales y de ahorro de energía de las instalaciones geotérmicas con bomba de calor eléctrica es el coeficiente de uso de los vectores de energía primaria (PIEC), que está determinado por el producto de la eficiencia. generación de electricidad (CPIe = 0,30 - 0,35) por la media, durante la vida útil de la instalación, del factor de conversión de la bomba de calor (CHPTC). El rango de SFTC que se puede lograr utilizando fuentes geotérmicas, desde el suelo hasta las salmueras de los embalses, a temperaturas de 5 a 7 °C a 35 a 40 °C, de 3 a 7 unidades y más. Así, dependiendo del tipo de fuente, se pueden obtener niveles de KIPI de 1,1 a 2,5 unidades, que es de 1,2 a 7,0 veces mayor que para las calderas tradicionales (Fig. 6.5). La eficiencia de una planta geotérmica con HP eléctrica es tanto mayor en comparación con una planta de caldera tradicional, cuanto mayor es la relación de sus KPI. Por lo tanto, el ahorro en el consumo de energía y la reducción de emisiones nocivas: 20 - 70%. El aumento de los precios del combustible importado y los costos de transporte predeterminaron hoy el desarrollo acelerado de la energía geotérmica en Kamchatka, las Islas Kuriles y en las regiones del norte de Rusia. En la fig. 6.5 muestra los coeficientes para el uso de vectores de energía primaria en calderas tradicionales y geotérmicas.
Rusia tiene muchos años de experiencia en la investigación de campos geotérmicos, realizando operaciones de perforación en ellos y operando el GeoPP. Durante más de 30 años, Pauzhetskaya GeoPP (al sur de Kamchatka) ha proporcionado la electricidad más barata al pueblo de Ozernaya, donde se concentra la principal producción de caviar rojo. En 1967, Rusia fue el primer país del mundo en crear un GeoPP con un ciclo binario utilizando calor de bajo grado (agua caliente - 95°C) en el campo geotérmico Paratunsky en Kamchatka. Autor: Magomedov A.M.
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