В городе Эспоо через два года будет запущена первая в Финляндии геотермальная электростанция. Финские инженеры планируют использовать естественное тепло земных недр для обогрева зданий. И если эксперимент будет успешным, то подобные теплоцентрали можно возводить повсеместно, например, в Ленинградской области. Вопрос в том, насколько это выгодно.
Использование энергии Земли - идея не новая. Естественно, за ее реализацию прежде всего взялись жители тех регионов, где сама природа создала “паровые машины”. Так, например, еще в 1904 году итальянский князь Пьеро Джинори Конти зажег четыре электролампочки, поместив турбинку с электрогенератором вблизи природного выхода разогретого пара из земли, в регионе Лардерелло (Тоскана).
Спустя девять лет, в 1913 году, там же была запущена первая коммерческая геотермальная станция мощностью 250 киловатт. Станция использовала самый выгодный, но, к сожалению, редко встречающийся ресурс — сухой перегретый пар, который можно встретить лишь в недрах вулканических массивов. Но, на самом деле, жар Земли можно найти не только близ огнедышащих гор. Он есть повсеместно, под нашими ногами.
Недра планеты раскалены до нескольких тысяч градусов. Ученые до сих пор не выяснили, вследствие каких процессов наша планета в течение нескольких миллиардов лет хранит в себе гигантское количество тепла, и невозможно оценить, на сколько миллиардов лет его хватит. Достоверно известно, что при погружении на каждые 100 метров вглубь земли температура пород повышается в среднем на 3 градуса. В среднем — это значит, что есть места на планете, где температура повышается на полградуса, а где-то — и на 15 градусов. И это — не зоны активного вулканизма.
Температурный градиент, разумеется, увеличивается неравномерно. Финские специалисты рассчитывают достичь на глубине 7 км зоны, в которой температура пород составит 120 градусов Цельсия, притом что температурный градиент в Эспоо примерно 1,7 градуса на 100 метров, а это даже ниже среднего уровня. И, тем не менее, это уже достаточная температура для запуска геотермальной теплоцентрали.
Суть системы, в принципе, проста. Бурятся две скважины на расстоянии в несколько сот метров друг от друга. Между ними в нижней части нагнетают под давлением воду, чтобы разорвать пласты и создать меж ними систему проницаемых трещин. Технология отработана: подобным способом сейчас добывают сланцевую нефть и газ.
Затем в одну из скважин закачивают воду с поверхности, а из второй — наоборот, откачивают. Вода идет по трещинам среди раскаленных пород, и затем поступает по второй скважине на поверхность, где передает тепло обычной городской теплоцентрали. Такие системы уже были запущены в США, в настоящее время идут разработки в Австралии и странах Европейского союза.
Фото: www.facepla.net (скриншот)
Мало того — тепла хватит, чтобы запустить выработку электроэнергии. Приоритет в разработке низкотемпературной геотермальной энергетики принадлежит советским ученым — именно они более полувека назад решили вопрос использования такой энергии на Камчатке. Ученые предложили использовать в качестве кипящего теплоносителя органическую жидкость — фреон12, у которой точка кипения при нормальном атмосферном давлении — минус 30 градусов. Вода из скважины температурой в 80 градусов Цельсия передавала свое тепло фреону, который вращал турбины. Первой в мире электростанцией, работающей с водой такой температуры, стала Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, построенная в 1967 году.
Достоинства такой схемы очевидны — в любой точке Земли человечество сможет обеспечить себя теплом и электроэнергией, даже если погаснет Солнце. В толще земной коры запасена огромная энергия, более чем в 10 тысяч раз превышающая все топливопотребление современной цивилизации в год. И эта энергия постоянно возобновляется за счет притока тепла из недр планеты. Современные технологии позволяют добывать этот вид энергии.
Интересные места для строительства подобных геотермальных электростанций есть и в Ленинградской области. Выражение "Питер стоит на болоте" применимо лишь с позиции строительства малоэтажных объектов, а с точки зрения "большой геологии" — осадочный чехол в окрестностях Петербурга достаточно тонок, всего десятки метров, а затем берут свое начало, как и в Финляндии, коренные магматические породы. Этот скальный щит неоднороден: он испещрен разломами, по некоторым из которых поднимается наверх тепловой поток.
Первыми на это явление обратили внимание ботаники, которые нашли на Карельском перешейке и на Ижорском плато островки тепла, где произрастают растения либо с высокой скоростью воспроизводства, либо относящиеся к более южным ботаническим подзонам. А под Гатчиной и вовсе обнаружена ботаническая аномалия — растения альпийско-карпатской флоры. Растения существуют благодаря тепловым потокам, идущим из-под земли.
По результатам бурения в районе Пулково на глубине 1000 метров температура кристаллических пород составила плюс 30 градусов, то есть в среднем она повышалась на 3 градуса каждые 100 метров. Это "средний" уровень температурного градиента, но он почти в два раза больше, чем в районе Эспоо, в Финляндии. Это означает, что в Пулково достаточно пробурить скважину на глубину всего лишь до 3500 метров, соответственно, такая теплоцентраль обойдется гораздо дешевле, чем в Эспоо.
Стоит учесть, что срок окупаемости подобных станций зависит также и от тарифов на теплоснабжение и электроэнергию для потребителей в этой стране или региона. В мае 2015 года тариф для многоквартирных домов без электрического отопления от компании Helsingin Energia составлял 6,19 евроцента за кВт*ч, с электрическим отоплением, соответственно, — 7,12 евроцентра за кВт*ч (в дневное время). По сравнению с тарифами Санкт-Петербурга, разница для тех, кто использует электричество и для отопления, составляет около 40%, при этом еще надо учитывать игры курсов. Столь невысокая цена на электричество в Финляндии связана, в том числе, с тем, что страна имеет собственные атомные генерирующие мощности.
А вот в Латвии, которая вынуждена постоянно закупать электроэнергию и топливо, отпускная цена электроэнергии практически вдвое выше , чем в Финляндии. Однако финны полны решимости построить станцию в Эспоо, в не самом удачном по геотермическому градиенту месте.
Дело в том, что геотермальная энергетика требует долгосрочных инвестиций. В этом смысле она ближе к крупной гидроэнергетике и атомной энергетике. ГеоТЭС гораздо сложнее возвести, чем солнечную или ветростанцию. И нужно быть уверенными, что политики не начнут играть с ценами и правила не будут меняться на ходу.
Поэтому финны и решаются на этот важный промышленный эксперимент. Если им удастся осуществить задуманное, и хотя бы для начала обогреть своих жителей теплом, которое никогда не кончится (даже в масштабах вообще жизни на нашей планете) — это позволит задуматься о будущем геотермальной энергетики и на обширных российских просторах. Сейчас в России греются теплом Земли на Камчатке и в Дагестане, но, возможно, настанет и время Пулково.
Константин Ранкс
Здесь опубликована динамика изменения зимних (2012-13г.г.) температур земли на глубине 130 сантиметров под домом (под внутренним краем фундамента), а также - на уровне земли и температуры воды, идущей из скважины. Всё это - на стояке, идущем из скважины.График - внизу статьи.
Дача (на границе Новой Москвы и Калужской области) зимняя, периодического посещения (2-4 раза в месяц по паре дней).
Отмостка и цоколь дома - не утеплены, еще с осени закрыты теплоизолирующими затычками (10см. пены). Теплопотери веранды, куда выходит стояк в январе изменились. См. Примечание 10.
Измерения на глубине 130см производятся системой Кситал GSM (), дискрет - 0,5*С, доп. погрешность - около 0,3*С.
Датчик установлен в заваренной снизу 20мм трубке из ПНД возле стояка, (с внешней стороны теплоизоляции стояка, но внутри 110мм трубы).
По оси абсцисс - даты, по оси ординат - температуры.
Примечание 1:
Температуру воды в скважине, а также - на уровне земли под домом, прямо на стояке без воды тоже буду отслеживать, но только по приезду. Погрешность - около +-0,6*С.
Примечание 2:
Температура на уровне земли под домом, у стояка водопровода опускалась в отсутствии людей и воды уже до минус 5*С. Это говорит о том, что я не зря сделал систему - Кстати, термостат, показавший -5*С - как раз от этой системы (RT-12-16).
Примечание 3:
Температура воды "в скважине" меряется тем же датчиком (он же - в Примечании 2), что и "на уровне земли" - он стоит прямо на стояке под теплоизоляцией, вплотную к стояку на уровне земли. Эти два измерения производятся в разные моменты времени. "На уровне земли" - до закачки воды в стояк и "в скважине" - после прокачки примерно 50-ти литров в течение получаса с перерывами.
Примечание 4:
Температура воды в скважине может быть несколько занижена, т.к. я не могу искать эту долбаную асимптоту, бесконечно качая воду (моя )... Как умею - так играю.
Примечание 5: Не актуально, удалил.
Примечание 6:
Погрешность фиксации уличной температуры примерно +-(3-7)*С.
Примечание 7:
Скорость остывания воды на уровне земли (без включения насоса) очень приблизительно 1-2*С в час (это - при минус 5*С на уровне земли).
Примечание 8:
Забыл описать, как у меня устроен и утеплен подземный стояк. На ПНД-32 надето два чулка утеплителя в сумме - 2см. толщины (видимо, вспененный полиэтилен), всё это вставлено в 110мм канализационную трубу и там запенено до глубины 130см. Правда, поскольку ПНД-32 шла не по центру 110-ой трубы, а также то, что в своей середине масса обычной пены может долго не застывать, а значит - не превращаться в утеплитель, то в качестве такого дополнительного утепления я сильно сомневаюсь... Наверное, было бы лучше использовать двухкомпонентную пену, о существовании которой я узнал только позже...
Примечание 9:
Хочу обратить внимание читателей на измерение температуры "На уровне земли" от 12.01.2013г. и от 18.01.2013г. Здесь, по моему мнению, величина в +0,3*С заметно выше ожидаемой. Думаю, что это - следствие операции "Засыпка снегом цоколя у стояка", проведенная 31.12.2012г.
Примечание 10:
С 12 января по 3 февраля произвел дополнительное утепление веранды, куда выходит подземный стояк.
В результате по приблизительным прикидкам теплопотери веранды были снижены со 100 Вт/кв.м. пола до примерно 50 (это - при минус 20*С на улице).
Отразилось это и на графиках. См. температуру на уровне земли 9 февраля: +1,4*С и 16 февраля: +1,1 - таких высоких температур еще не было с начала реальной зимы.
И еще: с 4 по 16 февраля впервые за две зимы с воскресенья по пятницу котел не включался для поддержания установленного минимума температуры потому, что она не дошла до этого минимума...
Примечание 11:
Как и обещал (для "порядка" и для завершения годового цикла) буду периодически публиковать температуры летом. Но - не в графике, чтобы зиму не "затенять", а здесь, в Примечании-11.
11 мая 2013г.
Продухи после 3-х недель проветривания закрыл до осени во избежание отложения конденсата.
13 мая 2013г. (на улице уже неделю +25-30*С):
- под домом на уровне земли +10,5*С,
- под домом на глубине 130см. +6*С,
12 июня 2013г.:
- под домом на уровне земли +14,5*С,
- под домом на глубине 130см. +10*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +8*С.
26 июня 2013г.:
- под домом на уровне земли +16*С,
- под домом на глубине 130см. +11*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +9,3*С.
19 августа 2013г.:
- под домом на уровне земли +15,5*С,
- под домом на глубине 130см. +13,5*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +9,0*С.
28 сентября 2013г.:
- под домом на уровне земли +10,3*С,
- под домом на глубине 130см. +12*С.
- вода в скважине с глубины 25м =+8,0*С.
26 октября 2013г.:
- под домом на уровне земли +8,5*С,
- под домом на глубине 130см. +9,5*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +7,5*С.
16 ноября 2013г.:
- под домом на уровне земли +7,5*С,
- под домом на глубине 130см. +9,0*С.
- вода в скважине с глубины 25м +7,5*С.
20 февраля 2014г.:
Наверно, это последняя запись в этой статье.
Всю зиму живем в доме постоянно, смысл в повторении прошлогодних измерений - небольшой, поэтому только две существенные цифры:
- минимальная температура под домом на уровне земли в самые морозы (-20 - -30*С) через неделю после их начала неоднократно опускалась ниже +0,5*С. В эти моменты у меня срабатывала
Ну кому же не хочется бесплатно отапливать свой дом, особенно во время кризиса, когда каждая копейка на счету.
Мы уже затрагивали тему, как , наступила очередь противоречивой технологии отопления дома энергией земли (Геотермальное отопление).
На глубине около 15 метров, температура земли составляет примерно 10 градусов по Цельсию. Через каждые 33 метра, температура повышается на один градус. В итоге, для того, чтобы бесплатно отапливать дом, порядка 100 м2, достаточно пробурить скважину около 600 метров и получать тепло 22 градуса на протяжении всей жизни!
Теоретически, система бесплатного отопления от энергии земли достаточно проста. В скважину закачивается холодная вода, которая нагревается до 22 градусов и по законам физики с небольшой помощью насоса (400-600 вт) поднимается по утепленным трубам в дом.
Недостатки использования энергии земли для отопления частного дома:
— Давайте более подробно разберем финансовые затраты на создание такой системы отопления. Средняя стоимость 1 м бурения скважины составляет порядка 3000 рублей. Итого глубина в 600 метров обойдется в 1 800 000 рублей. И это только бурение! Без установки оборудования для закачки и подъема теплоносителя.
— В разных регионах России свои особенности грунтов. В некоторых местах пробурить скважину в 50 метров задача не из легких. Требуются усиленные обсадные трубы, укрепление шахты и т.д.
— Утепление ствола шахты на такую глубину практически невозможно. Следует, что вода не будет подниматься с температурой 22 градуса.
— Для того, чтобы пробурить скважину в 600 метров требуется разрешение;
— Допустим, вода разогретая до 22 градусов попадает в дом. Вопрос, как «снять» полностью с носителя всю энергию земли? Максимум, при прохождении по трубам в теплом доме опуститься до 15 градусов. Таким образом нужен мощный насос, который будет в десятки раз больше прогонять воды с 600 метровой глубины для получения хоть какого-то эффекта. Здесь закладываем не сопоставимый с экономией расход электроэнергии.
На глубине около 15 метров, температура земли составляет примерно 10 градусов по Цельсию
Следует логичный вывод, что уже далеко не бесплатным отопление дома энергией земли может позволить только человек далеко не бедный, которому экономия на отоплении особо и не нужна. Конечно, можно сказать, что такая технология будет служить сотни лет и детям и внукам, но все это фантазии.
Идеалист скажет, что дом строит на века, а реалист всегда будет рассчитывать на инвестиционную составляющую — строю для себя, но в любой момент продам. Не факт, что детки будут привязаны к этому дому и не захотят его продать.
Энергия земли для отопления дома эффективна в следующих регионах:
На Кавказе есть действующие примеры работающих скважин с минеральной водой выходящей наружу самоизливом, с температурой 45 градусов с учетом глубинной температуры около 90 градусов.
На Камчатке использование геотермальных источников с температурой на выходе около 100 градусов — самый оптимальный вариант использования энергии земли для отопления дома.
Технологии развиваются бешеными темпами. КПД классических систем отопления растет на глазах. Несомненно и отопление дома энергией земли станет менее дорогой.
Видео: Геотермальное отопление. Энергия земли.
В вертикальных коллекторах отбирается энергия из земли с помощью геотермальных земляных зондов. Это закрытые системы со скважинами диаметром 145-150мм и глубиной от 50 до 150м, по которым прокладываются трубы. На конце трубопровода инсталлируется возвратное U колено. Обычно установка осуществляется с помощью одноконтурного зонда с трубами 2x d40 («шведская система»), или двухконтурного зонда с трубами 4x d32. Двухконтурные зонды должны достигать на 10-15% больший отбор тепла. При скважинах глубже чем 150 м нужно использовать трубы 4xd40 (для понижения потери давления).
В настоящее время большая часть скважин для отбора тепла земли имеет глубину 150 м. На большей глубине можно получить больше тепла, но при этом затраты на такие скважины будут очень высоки. Поэтому важно заранее просчитать затраты на установку вертикального коллектора в сравнении с предполагаемой экономией в будущем. В случае инсталляции системы активно-пассивного охлаждения более глубокие скважины не делают из-за высшей температуры в почве и более низком потенциале в момент отдачи тепла из раствора окружающей среде. В системе циркулирует незамерзающая смесь (спирт, глицерин, гликоль), разбавленная водой до нужной консистенции незамерзания. В тепловом насосе отдает тепло, отобранное у земли, хладагенту. Температура земли на глубине 20 м примерно 10°C, и растет каждые 30м на 1°C. На нее не оказывают влияние климатические условия, и поэтому можно рассчитывать на качественный отбор энергии и зимой и летом. Нужно добавить, что температура в земле немного отличается в начале сезона (сентябрь-октябрь) от температуре в конце сезона (март-апрель). Поэтому необходимо учитывать при расчете глубины вертикальных коллекторов длину отопительного сезона в месте инсталляции.
При отборе тепла с помощью геотермальных вертикальных зондов очень важным являются правильные расчеты и конструкция коллекторов. Для проведения грамотных расчетов необходимо знать, возможно ли бурение в месте инсталляции до желаемой глубины.
Для теплового насоса мощностью 10kW необходимо примерно 120-180 m скважины. Скважины должна быть размещены минимум 8м друг от друга. Количество и глубина скважин зависит от геологических условий, наличие подземных вод, способности почвы удерживать тепло и технологии бурения. При бурении нескольких скважин общая желаемая длина скважины разделится на количество скважин.
Преимуществом вертикального коллектора перед горизонтальным является меньший участок земли для использования, более стабильный источник тепла, и независимость источника тепла на погодных условиях. Минусом вертикальных коллекторов являются высокие затраты на земляные работы и постепенное охлаждение земли возле коллектора (необходимы грамотные расчеты необходимой мощности при проектировании).
Расчет необходимой глубины скважин
Информация,необходимая для предварительного расчета глубины и количества скважин:
Мощность теплового насоса
Выбранный тип отопления - «теплые полы», радиаторы, комбинированное
Предполагаемое количество часов эксплуатации теплового насоса за год, покрытие потребности в энергии
Место инсталляции
Использование геотермальной скважины - отопление, обогрев ГВС, сезонный подогрев бассейна, круглогодичный подогрев бассейна
Использование функции пассивного (активного) охлаждения в объекте
Общее годовое потребление тепла для отопления (MВ/час)