Энергоснабжение сельскохозяйственных потребителей с использованием геотермальной энергии

 

4.4. Мировой потенциал геотермальной энергии и перспективы его использования

Наименование континента	Тип геотермального источника
	высокотемпературный, используемый для производства электроэнергии, ТДж/год		низкотемпературный, используемый в виде теплоты, ТДж/год (нижняя граница)
	традиционные технологии	традиционные и бинарные технологии
Европа	1830	3700	>370
Азия	2970	5900	>320
Африка	1220	2400	>240
Северная Америка	1330	2700	>120
Латинская Америка	2800	5600	>240
Океания	1050	2100	>110
Мировой потенциал	11200	22400	>1400

Группа эксперт из Всемирной  ассоциации по вопросам геотермальной  энергии, которая произвела оценку запасов низко- и высокотемпературной  геотермальной энергии для каждого  континента, получила следующие данные по потенциалу различных типов геотермальных  источников нашей планеты (табл.2)

 

Табл.2

 

Как видно из табл.2, потенциал геотермальных  источников энергии просто таки колоссален. Однако используется он крайне незначительно: установленная мощность ГеоТЭС во всем мире на начало 1990-х годов составляла всего лишь около 5000, а на начало 2000-х годов – около 6000 МВт, существенно уступая по этому показателю большинству электростанций, работающих на других возобновляемых источниках энергии. Да и выработка электроэнергии на ГеоТЭС в этот период времени была незначительной. Однако в настоящее время геотермальная электроэнергетика развивается ускоренными темпами, не в последнюю очередь из-за галопирующего увеличения стоимости нефти и газа. Этому развитию во многом способствуют принятые во многих странах мира правительственные программы, поддерживающие это направление развития геотермальной энергетики.

Отметим, что геотермальные ресурсы  разведаны в 80 странах мира и в 58 из них активно используются. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная  электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии, имеет особую правительственную  поддержку. В США в 2005 году на ГеоТЭС было выработано около 16 млрд. кВт·ч электроэнергии в таких основных промышленных зонах, как зона Больших гейзеров, расположенная в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), северная часть Соленого моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности), Невада (235 МВт установленной мощности) и др. Геотермальная электроэнергетика бурно развивается также в ряде других стран, в том числе:

 на Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало 2003 года было установлено 1930 МВт электрической мощности, что позволило обеспечить около 27% потребностей страны в электроэнергии;

 в Италии, где в 2003 году  действовали геотермальные энергоустановки  общей мощностью в 790 МВт; 

 

 в Исландии, где действуют  пять теплофикационных ГеоТЭС общей электрической мощностью 420 МВт, вырабатывающие 26,5% всей электроэнергии в стране;

 

 в Кении, где в 2005 году  действовали три ГеоТЭС общей электрической мощностью в 160 МВт и были разработаны планы по доведению этих мощностей до 576 МВт [3,7].

 

 Характеризуя развитие мировой  геотермальной электроэнергетики  как неотъемлемой составной части  возобновляемой энергетики на  более отдаленную перспективу,  отметим следующее. Согласно прогнозным  расчетам в 2030 году ожидается  некоторое (до 12,5% по сравнению  с 13,8% в 2000 году) снижение доли  возобновляемых источников энергии  в общемировом объеме производства  энергии. При этом энергия солнца, ветра и геотермальных вод  будет развиваться ускоренными  темпами, ежегодно увеличиваясь  в среднем на 4,1%, однако вследствие "низкого" старта их доля  в структуре возобновляемых источников  и в 2030 году будет оставаться  наименьшей.

 

5. Применение Геотермальной энергии  в сельском хозяйстве

5.1.Воздушная система отопления  и кондиционирования теплиц с                                         использованием геотермального  источника

5.1.1. Анализ систем отопления теплиц

Сегодня для отопления теплиц практически  повсеместно используется водяная  система. Она обеспечивает наиболее равномерное распределение тепла, что очень благоприятно для роста  растений. В классической системе  водяного отопления в качестве отапливаемых приборов используют (в зависимости  от температуры теплоносителя) пластмассовые  или стальные гладкие трубы с  антикоррозийной защитой (например, с полимерным покрытием). Они размещаются  в верхней, средней и нижней зоне теплицы. На высоту 1 м от поверхности  почвы подается обычно не менее чем 40% общего количества тепла, учитывая энергию  обогрева почвы. Запорная и регулирующая арматура обеспечивает раздельное включение (выключение) и регулирование теплоотдачи  отопительных приборов в разных зонах. Почву очень часто подогревают  с помощью металлопластиковых труб. Шаг укладки труб составляет не меньше 20-30 см. Трубопроводы укладывают на слой дренажного засыпного утеплителя (песка  или шлака) толщиной не меньше 30 см, после чего насыпают слой плодородной  почвы толщиной 40-50 см.

Водяная система отопления характеризуется  большой металлоёмкостью, следовательно, нуждается в значительных капитальных  затратах. А трубопроводы системы  подогрева почвы осложняют ее обработку. Использование в теплицах систем воздушного отопления позволяет  заметно улучшить такие характеристики как металлоёмкость и капитальные  вложения. Эти системы, как правило, используются в сочетании с водяным  отоплением и состоят из подключенных к теплогенератору трубам (отапливаемых приборов) и системы подогрева почвы. Таким комбинированным отоплением оснащаются теплицы в местностях, где внешняя температура наиболее холодных суток составляет -20 °С и ниже. Мощность воздушного обогрева в системе комбинированного отопления принимают в среднем на уровне 35-40% от общего расхода тепла зимой. Однако в районах с мягким климатом воздушное отопление теплиц используется в качестве основного, или в тандеме с системой электрического подогрева почвы.

К преимуществам системы воздушного отопления следует отнести:

 

❏ низкие эксплуатационные расходы;

 

❏ низкая инерционность.

 

За 35-40 минут воздушная система  способна поднять температуру в  теплице на 15-20 °С.

Воздушное отопление теплицы реализуется  на базе воздухоподогревателя, что  работает на газе или на жидком топливе. Воздухоподогреватель присоединяется к магистральному газопроводу или  к ёмкости с топливом; для отвода продуктов сгорания за пределы теплицы  используется дымоход. Прокачивая через  себя воздух, который заполняет теплицу, и подогревая его до температуры  приблизительно +40 °С, воздухоподогреватель нагнетает поток в сеть приточных воздуховодов из оцинкованной жести, которая размещается по периметру теплицы на некотором расстоянии от стен на высоте около 2,5 м. Для обеспечения обдувки остекленения, поддержки равномерной температуры и оптимальной подвижности воздушных масс на приливных отверстиях в воздуховодах устанавливают вентиляционные решетки.

Воздушное отопление устанавливается  и без воздуховодов с использованием стационарных тепловентиляторов —  фанкойлов, оборудованных водяными калориферами или газовым теплообменником непрямого нагрева. Такие устройства обеспечивают эффективный и быстрый обогрев теплицы, в том числе и при часто открытых фрамугах. Теплый воздух, что нагнетается, создает необходимое движение и равномерное прогревание всей теплицы.

Оборудование для воздушного обогрева стоит обычно более дешево, чем  другие альтернативные системы. Фанкойлы с водяными калориферами производят многие компании, среди них — компания JAGA (Бельгия).Современное оборудование поставляется также фирмами VTS CLIMA (Польша), «МОВЕН», «ВЕЗА» (Россия). Стоимость «фанкойловой» системы отопления составляет в среднем 130-500 долл. США за 1 кВт тепловой мощности [1].

5.1.2. Агробиологические требования

 

Воздушная система отопления, как  и любая другая, должна удовлетворять  агробиологическим требованиям  к микроклимату, который она создает  в теплице.

Основными параметрами, что характеризуют микроклимат теплиц являются:

 

❏ температура воздуха и грунта;

 

❏ относительная влажность воздуха;

 

❏ скорость движения внутреннего воздуха.

 

Одним из обязательных параметров микроклимата является поддержание общего уровня влажности и равномерного деления  относительной влажности воздуха  в теплице. Эту функцию выполняет  система орошения (полива), которая  обеспечивает равномерное распределение  воды по всей площади теплицы.

Такая система необходима для предотвращения избыточного высушивания почвы, что в свою очередь может привести к снижению урожайности и спровоцировать некоторые заболевания растений. Особенно это чувствуется при выращивании огурцов — основной культуры овощеводства в защищенной почве.

5.1.3. Предлагаемая система воздушного  отопления теплиц

Для отопления теплиц предлагается использовать комбинированную систему  воздушного отопления с использованием геотермального источника энергии  в сочетании с традиционной (существующей) системой орошения. Блок-схема использования  геотермального источника энергии  для воздушной системы отопления  и освещения тепличного комплекса  показана на рис. 1 .

5.1.4. Тепловой расчёт

Необходимая мощность системы отопления вычисляется  из уравнения теплового баланса. Для этого вычисляются общие  тепловые потери теплицы. Используем формулу  для расчёта удельных тепловых потерь блочных зимних застекленных теплиц [2]:

q = (4,2 + 0,4 . ù ), (1)

где q —  удельные тепловые потери теплицы, относительно к 1 м 2 площади грунта при разнице  температур внутреннего и внешнего воздуха 1 °С, ккал/(м 2 . час . °С);

ù — скорость ветра, м/с.

Тогда общие  тепловые потери теплицы вычисляются  из уравнения [2]:

Q = q . Ä t . F , (2)

где Ä t = t вн - t з — перепад температур воздуха внутри и снаружи теплицы, °С;

F — площадь  теплицы,м 2 .

Система отопления тепличного комплекса  проектируется в соответствии со всеми требованиями нормативной литературы 1,2,3.

5.1. 5. Выбор принципиальной схемы

 

Предложенная принципиальная схема  системы воздушного отопления геотермального тепличного комплекса приведена  на рис. 2 . Система состоит из трех контуров. Первый контур — геотермальный (геотермальная вода — первичный  теплоноситель). Второй контур — сетевой (сетевая вода — промежуточный  теплоноситель). Третий контур — рециркуляционный (воздух). Таким образом, в теплице циркулирует воздух, который нагрет в калорифере за счёт использования геотермального источника теплоты. При этом обеспечивается необходимая температура воздуха и почвы, а также скорость движения внутреннего воздуха в теплице.

 

 

 

 

5.1.6. Практическое использование 

 

Предлагается реализовать отопление  и кондиционирование тепличного комплекса с. Янтарное АР Крым на основе комбинированной системы воздушного отопления с использованием геотермального источника энергии в сочетании  с традиционной (существующей) системой орошения. Площадь тепличного комплекса составляет 0,6 га. В качестве источника энергии используется дуплет геотермальных скважин № 36 № 36Д.

Основные данные по скважинам приведены  в табл .

Благодаря наличию в термальной воде растворённого газа, есть возможность  использовать одновременно две составляющие геотермального источника энергии:

 

❏ водяную (получение теплоты для отопления и кондиционирования тепличного комплекса);

 

❏ газовую (получение электроэнергии для собственных потребностей тепличного комплекса).

 

В качестве овощной культуры для  выращивания в теплице были выбраны  огурцы. Огурцы очень требовательны  к условиям внешней среды, особенно к теплу. Семена прорастают при температуре 12-14 °С, оптимальной же для роста и развития растений является температура воздуха днем 25-30 °С, а ночью 15-18 °С. Таким образом, для расчётов температура внутреннего воздуха теплицы составит 25 °С [6].

Мощность системы воздушного отопления  тепличного комплекса при расчёте  по формуле (2) составляет:

 

Q = (4,2 + 0,4 . 8) . (25 - (-16)) . 6000 = 1,82 . 10 6 ккал/год. 

 

Поскольку в большинстве случаев  мощность отопительного оборудования определяется в ваттах, эта величина составляет 2,12 МВт.

Оборудование рассчитано на такую  мощность, чтобы избежать замерзания растений в морозные дни. Конечно  же, система отопления не будет  работать на полную мощность все шесть-семь месяцев отопительного сезона.

Для такой мощности стоимость «фанкойловой»  системы воздушного отопления и  кондиционирования теплицы (при  стоимости 1 кВт тепловой мощности 130-500 долл. США) составит в среднем 275-1000 тыс. долл. США.

 

 

 

 

5.2.Практическое применение

5.2.1 Словения, компания Ocean Orchids

Словенская компания Ocean Orchids, представляющая собой бизнес-проект по разработке и внедрению экспериментальных технологий для выращивания тропических растений и фруктов, получила первый в мире урожай бананов, выращенный за счет источников геотермальной энергии, сообщила пресс-служба компании.

Просторный сад, где с помощью  геотермальных источников воссозданы условия тропического климата, находится  в хорватском Дубровнике. Сейчас здесь  выращиваются порядка 150 растений.

"Бананы созрели за 15 месяцев,  тогда как в обычных природных  условиях этот период составляет 12 - 18 месяцев", - сообщил директор компании Томаж Евжник.