Потенциал низкотемпературных геотермальных ресурсов в промышленных процессах

Неиспользованная мощность низкотемпературного геотермального тепла для промышленности

Промышленные процессы составляют значительную часть глобального потребления энергии, большая часть которой по-прежнему зависит от ископаемого топлива для отопления. В то время как высокотемпературные геотермальные ресурсы уже давно используются для производства электроэнергии, низкотемпературные, но широко распространенные, ресурсы остаются в значительной степени недоиспользованными. Геотермальные ресурсы с низкой температурой, обычно определяемые как резервуары с температурой ниже 150 ° C, предлагают прямой, надежный и экономически эффективный источник тепла для широкого спектра промышленных применений. От пищевой переработки и химического производства до текстильного производства и тепличных сельскохозяйственных культур, эти ресурсы могут заменить природный газ, нефть и уголь, снижая как эксплуатационные расходы, так и выбросы парниковых газов. В этой статье исследуется природа низкотемпературных геотермальных ресурсов, их промышленный потенциал, технологии, которые открывают их, и путь вперед для более широкого внедрения.

Что такое низкотемпературные геотермальные ресурсы?

Геотермальная энергия - это тепловая энергия, хранящаяся в земной коре. Ресурсы обычно классифицируются по температуре. Геотермальные ресурсы с низкой температурой - это те, где температура жидкости ниже 150 ° C (300° F). Это контрастирует с системами с умеренной температурой (150-200° C) и высокой температурой (более 200 ° C), которые обычно используются для обычной выработки электроэнергии. Ресурсы с низкой температурой проявляются в двух основных формах:

• Гидротермальные системы — Природная горячая вода или пар, пойманные в пористую породу или трещины. Они часто встречаются на небольших глубинах (от нескольких сотен метров до 2 км) и являются наиболее распространенными и экономичными для развития.
• Средние бассейны — глубокие осадочные слои пород, содержащие теплую воду, часто в регионах без вулканической активности. Эти бассейновые ресурсы широко распространены на континентах и могут быть использованы с использованием обычных водных скважин.
• Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) при более низких температурах — В то время как EGS традиционно нацелена на высокие температуры, недавние исследования исследуют инженерные низкопроницаемые горячие скальные образования на умеренных глубинах для создания искусственных резервуаров.

В глобальном масштабе большинство доступных геотермальных ресурсов являются низкотемпературными. Такие страны, как США, Китай, Турция, Исландия и многие европейские страны имеют обширные низкотемпературные поля, которые в настоящее время недостаточно развиты для промышленного использования. В докладе IRENA за 2023 год говорится, что прямое использование геотермального тепла может удовлетворить 5-10% глобального промышленного спроса на тепло к 2050 году, причем низкотемпературные ресурсы обеспечивают основную часть этого потенциала.

Промышленные приложения: где низкотемповые геотермальные Excel

Промышленные процессы требуют тепла при широком диапазоне температур. Многие из них — сушка, испарение, пастеризация, промывка, отопление помещений — работают при температурах значительно ниже 150 ° C, что делает их идеальными кандидатами для низкотемпературного геотермального прямого использования. Ниже приведены наиболее перспективные промышленные сектора и конкретные приложения.

Переработка продуктов питания и напитков

Пищевая промышленность в значительной степени зависит от тепловой энергии для приготовления пищи, бланширования, пастеризации, стерилизации и очистки. Для этих задач геотермальная низкотемпературная геотермальная установка может поставлять горячую воду (60-120 ° C). В Новой Зеландии геотермальная пищевая перерабатывающая установка использует воду 120° C для пастеризации молока и распыления сушки, сокращая потребление природного газа на 90%. Аналогично, в Японии геотермальная жидкость используется для нагрева теплиц для круглогодичного производства овощей. Ключевые преимущества включают стабильное теплоснабжение (не подверженное влиянию погоды) и снижение воздействия летучих цен на ископаемое топливо.

Сушка и отверждение материалов

Сушка энергоемкая, часто требует воздуха при 50-120 ° C. Геотермальные низкотемпературные камеры могут нагревать сушильные камеры или обеспечивать предварительно нагретый воздух для:

• Пища и древесина — Высыхание килна с использованием геотермальной воды при 80–100°С снижает затраты и улучшает качество.
• Сельскохозяйственные продукты — Сухие зерна, фрукты, овощи и травы с геотермальным теплом сохраняют питательные вещества и продлевают срок хранения.
• Керамика и кирпичи — В регионах с глиняными отложениями геотермальный воздух при 80-120 °C может вылечить кирпичи и плитки.
• Текстилы (FLT:0) — сушка ткани после окрашивания и отделки использует большое количество энергии; геотермальная может обеспечить это тепло непосредственно или через теплообменники.

Химическое и фармацевтическое производство

Многие химические реакции требуют точных температур от 80 до 140°С. Низкотемпературная геотермальная может использоваться для нагрева реактора, дистилляции, испарения и восстановления растворителей. В Китае химический завод использует геотермальную воду при 110 °С для производства борной кислоты, достигая 40% сокращения использования угля. Фармацевтический сектор также может использовать геотермальный пар для стерилизации оборудования и систем очистки на месте.

Тепловое отопление и аквакультура

Хотя это не строго «промышленные», это крупномасштабные коммерческие операции, которые получают выгоду от геотермального тепла. Теплицы для цветов, овощей и фруктов поддерживают температуру около 15-25 ° C даже зимой, используя геотермальную жидкость, циркулирующую по трубам и радиаторам. Аквакультурные объекты, поднимающие тилапию, креветки или лосося, используют геотермальную воду для поддержания оптимальной температуры воды, повышения темпов роста и снижения смертности. Интегрированные системы, где геотермальные стоки каскадов от теплицы до рыбных прудов, максимизируют тепловую эффективность.

Текстильное производство

Текстильная промышленность потребляет большие объемы горячей воды для окрашивания, отбеливания и отделки. Температура обычно колеблется от 60 до 100 ° C. Геотермальная вода может использоваться непосредственно или до нагрева воды, что снижает потребление ископаемого топлива. Текстильная фабрика в регионе Денизли в Турции использовала геотермальное тепло с 1980-х годов, экономя примерно 500 000 долларов в год на расходах на энергию.

Отопление для промышленных парков

Низкотемпературная геотермальная не ограничивается одним заводом; она может обслуживать целые промышленные парки через сети централизованного теплоснабжения. Например, город Кламат-Фолс, штат Орегон, использует геотермальную воду при 90-110 °C для отопления нескольких зданий, включая кампус Орегонского технологического института и близлежащие промышленные объекты. Такие сети эффективно распределяют тепло и снижают капитальную нагрузку для отдельных компаний.

Технологии для использования низкотемпературных геотермальных

Для развертывания низкотемпературных геотермальных установок в промышленности требуются соответствующие технологии добычи и использования. Наиболее распространенными подходами являются:

Системы прямого использования

При прямом использовании геотермальная жидкость откачивается из производственной скважины и проходит через теплообменник перед использованием в промышленном процессе. После передачи ее тепла охлаждаемая жидкость либо повторно вводится в резервуар (для поддержания давления и устойчивости), либо сбрасывается (если это разрешено). Прямое использование является самым простым и эффективным, когда геотермальная температура соответствует требованиям процесса.

Геотермальные тепловые насосы (GHPs)

Там, где температура ресурса слишком низкая (10-30 ° C), геотермальные тепловые насосы могут повысить тепло до полезного уровня (50-70° C) с использованием цикла сжатия пара. GHP особенно подходят для отопления помещений, предварительного нагрева воды и низкотемпературной сушки. Хотя им требуется электричество для работы, коэффициент производительности (COP) обычно составляет 3-5, что означает, что 3-5 единиц тепла доставляются на единицу ввода электроэнергии. Это делает GHP очень эффективными даже для низкотемпературных ресурсов.

Каскадное использование

Каскадирование включает в себя последовательное использование геотермальной жидкости в нескольких процессах при снижении температур. Например, вода при 110°C может сначала использоваться для нагрева химической реакции, затем при 80°C для сушки, затем при 50°C для нагрева теплицы и, наконец, при 30°C для аквакультуры. Это максимизирует извлечение энергии и улучшает общую экономику. Каскадирование особенно актуально для промышленных парков, сосредоточенных вокруг геотермального колодца.

Гибридные системы

Сочетание низкотемпературной геотермальной энергии с другими возобновляемыми источниками энергии (солнечная тепловая энергия, биомасса) или с отработанным теплом от промышленных процессов может создать гибридные системы, которые обеспечивают надежное круглогодичное тепло. Например, на заводе по переработке пищевых продуктов в Швейцарии используется геотермальное тепло, дополненное котлом биомассы во время пикового спроса, что обеспечивает 100% возобновляемое теплоснабжение.

Преимущества и экономические выгоды

Переход на низкотемпературное геотермальное тепло дает многочисленные преимущества перед обычными котлами на ископаемом топливе и даже другими возобновляемыми источниками энергии.

• Стабильность цен — Геотермальное тепло не имеет себестоимости топлива и не подвержено волатильности цен.После того, как начальная инфраструктура построена, эксплуатационные расходы предсказуемы и низки (в основном электричество для насосов и технического обслуживания).
• Высокий коэффициент мощности — Геотермальные ресурсы обеспечивают тепло 24/7, независимо от погоды. Это делает их идеальными для непрерывных промышленных процессов, которые не могут переносить прерывистое снабжение.
• Сокращение углеродного следа — Прямое использование геотермального тепла может сократить выбросы CO2 на 70-90% по сравнению с природным газом. Дальнейшее сокращение возможно, если электричество, используемое для насосов, является возобновляемым.
• Локальная энергетическая независимость (FLT:0) – Многие промышленные объекты расположены на геотермальных ресурсах или вблизи них, что снижает зависимость от импортного топлива и повышает энергетическую безопасность.
• Создание рабочих мест и экономическое развитие — Развитие геотермальных ресурсов стимулирует местную занятость в бурении, машиностроении, строительстве и эксплуатации. Это также привлекает отрасли, ищущие дешевую, стабильную энергию.