Использование геотермального тепла для промышленных и коммерческих применений

Геотермальная энергия уже давно признана стабильным источником энергии с низким содержанием углерода, полученным из внутреннего тепла Земли’. Однако весь потенциал этого ресурса выходит далеко за рамки производства электроэнергии. Значительная часть энергии, извлеченной из геотермальных резервуаров, не преобразуется в электричество, а вместо этого высвобождается в виде отработанного тепла. Этот побочный продукт тепловой энергии, часто вентилируемый или сбрасываемый в окружающую среду, представляет собой огромный, неиспользованный ресурс для промышленного и коммерческого секторов. Захват и использование геотермального отработанного тепла может резко повысить общую энергоэффективность, снизить зависимость от ископаемого топлива и снизить эксплуатационные расходы. Поскольку отрасли и предприятия сталкиваются с растущим давлением декарбонизации, стратегическое использование этого иначе отброшенного тепла предлагает практический, экономически привлекательный путь к устойчивым операциям.

Что такое геотермальная теплота?

Геотермальное отработанное тепло - это тепловая энергия, которая остается после процесса первичной извлечения энергии в геотермальной системе. На геотермальных электростанциях горячая вода или пар из подземных резервуаров используется для привода турбин и выработки электроэнергии. Даже на самых эффективных бинарных или флеш-паровых установках значительная часть тепла жидкости & #8217 не преобразуется в электричество и выходит в виде теплой или умеренно горячей воды. Аналогично, в геотермальных приложениях прямого использования, таких как купание или тепличный нагрев, отработанная жидкость все еще содержит восстанавливаемое тепло. Эта остаточная тепловая энергия - это отработанное тепло, которое может быть захвачено и перепрофилировано.

Температура геотермального отработанного тепла широко варьируется в зависимости от типа установки и условий резервуара. Низкотемпературное отработанное тепло обычно колеблется от 30°С до 90°С, в то время как среднетемпературные потоки могут достигать 120°С или выше. Даже на нижнем конце диапазона этого тепла достаточно для многих промышленных и коммерческих процессов, особенно в сочетании с тепловыми насосами или теплообменниками. Ключ должен соответствовать температуре и характеристикам потока отработанного тепла к соответствующему применению конечного использования.

Источники геотермального тепла

Промышленное применение теплоты геотермальных отходов

На промышленность приходится большая доля мирового потребления энергии, большая часть которой приходится на технологическое тепло. Геотермальное отработанное тепло может вытеснить сжигание ископаемого топлива во многих из этих процессов, снижая как затраты, так и выбросы. В следующих разделах рассматриваются ключевые промышленные сектора, где это отработанное тепло может эффективно применяться.

Подогреваем сырье

Многие промышленные процессы требуют доведения сырья до повышенных температур, прежде чем они войдут в основную стадию реакции или обработки. Например, в производстве цемента сырая пища должна быть предварительно нагрета до 800 & 176; C перед входом в печь. В то время как геотермальное отработанное тепло само по себе не может достичь таких высоких температур, его можно использовать для предварительного нагрева корма до 100 & 176; C & 8211; 150 & 176; C, уменьшая количество топлива, необходимого в печи. Аналогично, в сталелитейной промышленности металлолом может быть предварительно нагрет с геотермальным отработанным теплом перед зарядкой в электрическую дуговую печь, снижая потребление электроэнергии и ускоряя время плавления. Министерство энергетики США выделило предварительное нагревание в качестве высокоэффективного приложения для промышленного восстановления отработанного тепла (см. [FLT: 0]] DOE промышленные ресурсы для рекуперации отработанного тепла [FLT: 1]].

Теплообработка для химических реакций

Химическое производство в значительной степени зависит от пара и горячей воды для реакций, дистилляции, сушки и очистки. Геотермальное отработанное тепло при температурах между 80 и 176; С и 120 и 176; С может быть непосредственно использовано для многих из этих эндотермических процессов. Например, при производстве этанола, сетка должна быть нагрета для ферментации и дистилляции. Геотермальное отработанное тепло может поставлять большую часть этой тепловой нагрузки. На целлюлозно-бумажных фабриках отработанное тепло может использоваться для выпаривания черного ликера и высушивания бумаги. Международное энергетическое агентство оценивает, что на промышленное тепло приходится примерно две трети общего промышленного спроса на энергию , и геотермальное отработанное тепло может непосредственно компенсировать часть этого спроса, особенно в отраслях с умеренными температурными требованиями.

Поколение Steam для турбин и машин

Хотя геотермальное отработанное тепло может быть недостаточно горячим для генерации пара высокого давления непосредственно для выработки электроэнергии, его можно использовать для предварительного нагревания подводной воды котла или для генерации пара низкого давления для механических приводов и вспомогательных турбин. В комбинированных конфигурациях тепла и мощности (ТЭЦ) геотермальная установка может сначала генерировать электроэнергию, а затем подавать отработанное тепло на вторичный парогенератор, который приводит в действие насосы, компрессоры или вентиляторы. Этот каскадный подход максимизирует энергию, извлекаемую из каждого блока геотермальной жидкости, и позволяет промышленным объектам снизить потребление электроэнергии и топлива. Некоторые установки в Исландии и Новой Зеландии уже эксплуатируют такие каскадные системы, демонстрируя техническую и экономическую жизнеспособность.

Сухие продукты и материалы

Сушка является одной из самых энергоемких операций в таких отраслях, как пищевая промышленность, древесина, керамика и минералы. Геотермальное отработанное тепло хорошо подходит для сушки, потому что требуемые температуры часто падают между 40 & 176; C и 100 & 176; C. Например, в производстве рыбной муки геотермальное тепло может высушить твердые вещества рыбы, устраняя необходимость в горелках природного газа. В лесной промышленности, печь сушки пиломатериалов может быть частично или полностью приведена в действие геотермальным отработанным теплом. Сельскохозяйственные продукты, такие как зерно, фрукты и овощи, также могут быть высушены с использованием геотермального отработанного тепла в контролируемых средах. Постоянная, низкая стоимость тепла улучшает качество продукта и уменьшает углеродный след. Геотермальная энергетическая ассоциация документировала многочисленные тематические исследования геотермальной сушки прямого использования в сельском хозяйстве .

Дополнительные промышленные применения

  • Испарение и концентрация — При переработке молочных продуктов геотермальное отработанное тепло может концентрировать сыворотку или молоко перед сушкой распылителем.
  • Очистка и стерилизация — Для систем очистки на месте (CIP) требуется горячая вода; геотермальное отработанное тепло может поставлять эту воду при 70°C–90°C.
  • Тепло для теплицы — Геотермальное отработанное тепло от близлежащих электростанций может быть подано в теплицы для круглогодичного производства овощей и цветов, как широко практикуется в Венгрии и Исландии.
  • Аквакультура — Отработанное тепло может поддерживать оптимальную температуру воды для рыбоводства и креветок, повышая темпы роста и снижая смертность.

Коммерческие применения теплоты геотермальных отходов

Коммерческие здания и районы требуют отопления помещений, охлаждения, горячей воды, а иногда и обработки тепла для кухонь, прачечных и бассейнов. Геотермальное отработанное тепло может удовлетворить многие из этих потребностей, особенно при интеграции в районные энергетические сети или системы тепловых насосов на уровне зданий.

Отопление и охлаждение района

Один из наиболее эффективных способов использования геотермального отработанного тепла в коммерческом контексте - через сети централизованного теплообмена. Геотермальная электростанция или объект прямого использования могут подавать теплую воду в центральный теплообменник, который затем питает сеть изолированных труб, идущих к близлежащим зданиям. Эта сеть может обеспечить отопление помещений, горячую воду для дома и даже абсорбционное охлаждение (используя чиллеры, приводимые в движение теплом, а не электричеством). Такие города, как Рейкьявик, Исландия, построили обширные системы централизованного отопления с использованием геотермальных ресурсов, достигая некоторых из самых низких затрат на отопление в мире. Совсем недавно проекты во Франции, Германии и Соединенных Штатах продемонстрировали, что даже низкоэнталпийное геотермальное отработанное тепло может обслуживать целые городские районы.

Космическое отопление и горячая вода в коммерческих зданиях

Для отдельных коммерческих зданий, таких как отели, офисные комплексы и торговые центры, геотермальное отработанное тепло может быть доставлено через вторичный контур, подключенный к тепловому насосу или прямому теплообменнику. Тепловые насосы могут повысить температуру потоков отработанного тепла (например, от 30°С до 50°С) для эффективного удовлетворения строительных потребностей. Летом та же система может работать в обратном направлении для обеспечения охлаждения путем отбрасывания тепла в землю или поток отработанного тепла. Многие отели в богатых геотермальными отходами регионах приняли этот подход для отопления гостевых комнат, отопления бассейна и горячего водоснабжения, значительно сокращая счета за электроэнергию. Коммерческий сектор выигрывает от высокого коэффициента производительности (COP) тепловых насосов, когда температура источника повышается при геотермальном отработанном тепле.

Таяние снега и предотвращение ледяного покрова

Геотермальное отработанное тепло может циркулировать по трубам, встроенным в тротуары, подъездные пути и парковки, чтобы предотвратить накопление снега и льда. Это применение особенно ценно в холодном климате, где удаление снега является дорогостоящим и разрушительным. Использование отработанного тепла для таяния снега устраняет необходимость в химических обезжиривающих средствах и снижает износ инфраструктуры. Несколько аэропортов и транзитных органов в Исландии и Японии развернули такие системы с использованием геотермальной энергии.

Бассейны и спа

Общественные бассейны, водные центры и оздоровительные спа-центры потребляют большое количество энергии для нагрева воды. Геотермальное отработанное тепло предлагает недорогую, возобновляемую альтернативу. Во многих местах отработанная геотермальная вода с электростанций или скважин прямого использования подается непосредственно в теплообменники бассейна. Это приложение простое, требует минимального оборудования и обеспечивает быструю окупаемость. Постоянное теплоснабжение также продлевает купальный сезон и повышает комфорт для пользователей.

Технологии внедрения

Захват и распределение геотермального отработанного тепла требует набора проверенных технологий. Наиболее распространенными компонентами являются теплообменники, тепловые насосы, трубопроводы централизованного отопления и системы управления. Выбор технологии зависит от температуры, расхода и химического состава потока отработанного тепла, а также расстояния до конечного пользователя.

Теплообменники

Теплообменники передают тепловую энергию от геотермальной жидкости (часто рассола или парового конденсата) к чистой рабочей жидкости без смешивания двух. Широко используются пластинчатые теплообменники и трубчатые теплообменники. Они должны быть изготовлены из коррозионностойких материалов, таких как нержавеющая сталь или титан, если геотермальная жидкость химически агрессивна. Правильно спроектированные теплообменники максимизируют эффективность извлечения и защищают оборудование нисходящего потока от масштабирования или загрязнения.

Тепловые насосы

Когда температура отработанного тепла слишком низкая для прямого использования (например, ниже 40°С), тепловые насосы могут модернизировать его до полезной температуры. Геотермальные тепловые насосы (GHP), соединенные с потоками отработанного тепла, достигают более высокой эффективности, чем те, которые используют температуру окружающей среды на земле или в воздухе. Например, источник отработанного тепла при 30°С может быть увеличен до 60°С с КС 5 или более, что означает, что пять единиц тепла доставляются для каждой единицы потребляемой электроэнергии. Высокотемпературные тепловые насосы, способные доставлять воду при 90°С–120°С теперь коммерчески доступны, что делает их пригодными для многих промышленных применений, а также.

Окружные сети отопления

Системы централизованного отопления состоят из центрального источника тепла, распределительной сети предварительно изолированных труб и подстанций в каждом соединенном здании. Для геотермального отработанного тепла сеть обычно работает с температурами подачи 70°C–90°C и температурами возврата 30°C–45°C. Современные трубы используют изоляцию из пенополиуретана и полиэтиленовый корпус, снижая потери тепла до менее чем 5% на километр. Системы управления модулируют скорости потока в соответствии со спросом, повышая общую эффективность. Несколько европейских стран разработали стандартизированные компоненты, которые снижают затраты на установку и позволяют быстро развертывать.

Проблемы и новые решения

Несмотря на очевидные преимущества, широкое внедрение геотермальных отходов использования тепла сталкивается с несколькими препятствиями. Эти проблемы решаются с помощью технологических инноваций, поддержки политики и сотрудничества в отрасли.

капитальные затраты и инфраструктура

Установка теплообменников, трубопроводов, тепловых насосов и модернизация зданий требует значительных первоначальных инвестиций. Для промышленных объектов срок окупаемости может составлять от трех до семи лет, что может стать барьером в отраслях, ограниченных капиталом. Однако финансовые стимулы, такие как налоговые кредиты, гранты и ценообразование на выбросы углерода, улучшают экономику. Кроме того, модульные и масштабируемые проекты систем снижают первоначальные затраты, позволяя поэтапную реализацию. Правительственные программы, такие как Управление геотермальных технологий Министерства энергетики США, обеспечивают финансирование демонстрационных проектов, которые снижают риск этих инвестиций (см. ] Управление геотермальных технологий Министерства энергетики США ].

Сайт-конкретные условия

Не каждый геотермальный участок производит отработанное тепло при температурах или скоростях потока, подходящих для экономического захвата. Расстояние между источником тепла и конечным пользователем также влияет на жизнеспособность. Однако достижения в направленном бурении и скважинных теплообменниках позволили получить доступ к более глубоким, более горячим ресурсам. Технология усовершенствованных геотермальных систем (EGS) может создавать резервуары в горячей сухой породе, расширяя географический диапазон геотермального теплового потенциала. По мере созревания EGS использование отработанного тепла станет возможным во многих других регионах.

Коррозия и масштабирование

Геотермальные жидкости часто содержат растворенные минералы и газы, которые могут вызывать масштабирование (например, кремнезем, карбонат кальция) и коррозию оборудования. Это требует тщательного выбора материала, химической обработки или конструктивных особенностей, таких как кристаллизация вспышки, для удаления соединений масштабирования до того, как жидкость попадает в теплообменники. Исследования в передовых покрытиях и компонентах аддитивного производства дают более долговечное оборудование. Операторы также разрабатывают алгоритмы прогнозного обслуживания для мониторинга наращивания масштабирования и оптимизации графиков очистки.

Регулирующие и разрешающие барьеры

Во многих юрисдикциях нормативная база для использования геотермального тепла неразвита. Разрешения могут потребоваться для извлечения жидкости, реинъекции и распределения тепла, а классификация отработанного тепла как ресурса, а не отходов может быть неоднозначной. Для поощрения инвестиций необходимы упрощенные процессы выдачи разрешений и четкие юридические определения. Некоторые штаты США и европейские страны приняли законы & #8220; геотермальное тепло & #8221; уставы, которые явно разрешают улавливание отработанного тепла и обеспечивают защиту прав собственности.

Будущий прогноз

По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), установленная геотермальная мощность превышает 15 ГВт в глобальном масштабе, с дополнительными 20 ГВт мощности прямого использования. Даже если будет захвачена только часть связанного с этим отработанного тепла, это может вытеснить миллионы тонн CO]2 ежегодно. Технический потенциал только для промышленного тепла оценивается в сотни ТВтч в год.

Во-первых, снижение стоимости тепловых насосов и компонентов централизованного теплоснабжения делает проекты более экономичными. Во-вторых, корпоративные обязательства по устойчивому развитию и государственные цели по чистому нулевому уровню создают спрос на низкоуглеродное тепло. В-третьих, гибридные системы, которые сочетают геотермальное отработанное тепло с солнечным теплом, биомассой или хранением тепла, появляются в качестве гибких решений, которые могут поставлять тепло по требованию. Наконец, цифровизация и интеллектуальные средства управления позволяют оптимизировать отправку отработанных тепловых ресурсов нескольким пользователям, максимизируя коэффициенты использования.

Инновации, такие как циклы донного сплава органических отходов Ранкина (ORC), которые могут генерировать дополнительную электроэнергию из среднетемпературного отработанного тепла, также расширяют экономическую оболочку. По мере совершенствования технологии бурения и превращения EGS в коммерческую, поставки геотермального отработанного тепла будут расти, открывая новые возможности для промышленных и коммерческих пользователей.

Геотермальное отработанное тепло не является побочным продуктом; это стратегический ресурс, который может трансформировать энергетическую экономику отраслей и сообществ. Приоритетизируя его захват и использование, предприятия могут снизить эксплуатационные расходы, повысить энергетическую безопасность и внести значимый вклад в глобальные климатические цели. Технология готова, экономика улучшается, и пришло время действовать.