Рассмотрим две главные категории источников геотермальной энергии: высокотемпературные и низкотемпературные.
Высокотемпературные источники геотермальной энергии.
Высокотемпературные источники геотермальной энергии связаны с повышением температуры земной коры и мантии при близости к ядру планеты. Этот процесс приводит к подогреву глубинных вод до высоких температур. В регионах вулканической активности, эти нагретые воды выбираются на поверхность через трещины в земной коре. Примером практического использования таких источников служит Мутновская ГеоЭС — геотермальная электростанция, расположенная в Камчатском крае.
Низкотемпературные источники геотермальной энергии
Низкотемпературные источники представляют собой тепло, сохраненное на поверхности земной коры, которое собирает солнечную энергию. В рамках обзора мы ближе рассмотрим историю использования таких источников, сфокусировав внимание на геотермальных тепловых насосах, также известных как тепловые насосы грунт-вода или геотермальные тепловые насосы. Эти термины могут использоваться взаимозаменяемо, поскольку они обозначают одну и ту же суть технологии.
Геотермальные тепловые насосы. Начало
Веками человечество жило, не задумываясь о том, что в недрах земли копится ценная солнечная энергия, воплощенная в тепле. Мы даже не подозревали, что ежедневно Солнце поставляет от 2 до 6 кВт энергии на каждый метр квадратный. А на глубине всего в 4 метра недр земли таится стабильный энергетический запас, который остается постоянным независимо от времени года.
Путь к пониманию этой потаенной энергии начал французский химик Антуан Лоран Лавуазье, который впервые изучил температуру под поверхностью земли. Он установил ртутный термометр на глубине 27 метров. В 1778 году Георг Буффон продемонстрировал, что показания этого термометра остаются стабильными на протяжении всего года. И лишь через двадцать лет, в 1799 году, Александр фон Гумбольдт удивил научное сообщество, отметив, что показания того же термометра за весь этот период отличались всего на 0,04 градуса!
Впоследствии, в 1838 году, королевская обсерватория в Эдинбурге начала точные измерения температуры, которые продолжались десятилетиями.
Открытия впечатлили мировое научное сообщество. Исследования показали, что температурные колебания на небольших глубинах, таких как 7 метров, всего лишь 1/20 от изменений температуры на поверхности, а на глубине 14 метров – лишь 1/400.
Наблюдения стали ключом к пониманию: температура грунта остается почти постоянной на небольших глубинах в течение года. Это открытие пробудило человечество к заманчивой идее — использовать эту скрытую энергию низкого потенциала и трансформировать её в ценный, высокоэффективный тепловой ресурс.
Первый тепловой насос
В 1852 году Уильям Томсон, известный как лорд Кельвин, разработал "умножитель тепла", который содержал элементы работы "тепловых насосов". Он строился на теоретической основе, заложенной ранее французским физиком Сади Карно. Формула Карно используется и по сей день при расчете идеального коэффициента преобразования (COP) теплового насоса. Основная концепция заключалась в возможности извлечения тепла из более горячего объекта и передачи его менее нагретому путем выполнения механической работы. Тепловой насос Томсона, не связанный с известным автоматом чикагских гангстеров, так и остался на уровне лабораторной модели, не найдя практического применения.
Но следующий шаг был сделан уже в 1855 году, когда австрийский инженер Петер Риттер фон Риттенгер усовершенствовал установку и создал первый функционирующий тепловой насос. Несмотря на это, настоящее практическое применение тепловые насосы получили лишь в 20-х годах ХХ века, когда промышленные модели стали широко использоваться.
Первый тепловой насос современной конструкции
В 1927 году в Шотландии инженер Д. Холдейн разработал и установил первую теплонасосную систему в своем доме. Этот первый тепловой насос представлял собой электроприводную холодильную машину с мощностью 5 кВт. Особенностью этой установки было то, что она использовала уличный воздух в качестве источника тепла. По сути, это была аэротермальная система, работающая по принципу воздух-вода. COP (коэффициент производительности) этого первого домашнего теплового насоса составлял 2,3, что означало, что на каждый вложенный кВт электроэнергии он давал 2,3 кВт тепла.
Дальнейший прогресс в развитии тепловых насосов привел к созданию систем типа "вода-вода". В 1936 году в Цюрихе была установлена теплонасосная система под названием "Rotasco" мощностью 175 кВт. Она обеспечивала ратушу теплой водой и использовала речную воду в качестве источника тепла. Это событие стало милейшей в истории развития тепловых насосов и открыло путь для дальнейших инноваций и применения этой технологии в различных областях.
Переход к новой ступени в развитии был обусловлен созданием геотермального теплового насоса типа "земля-вода". В 1940-х годах Роберт Вебер, экспериментируя с морозильной камерой, нечаянно коснулся горячей трубы на выходе. Случай стал отправной точкой для новой идеи — почему бы не использовать "потерянное" тепло? Ответ подтолкнул его на создание системы обогрева дома. Эксперименты привели к удивительному результату: его семья получила значительно больше тепла, чем они могли освоить.
Однако Роберт Вебер не остановился на достигнутом. Его ум посетила мысль: почему бы не использовать землю в качестве источника тепла? Он разместил медные трубы в земле и заполнил их фреоном. Фреон, действуя как рабочее вещество, извлекал тепло из земли, затем конденсировался, передавая это тепло в дом, и после возвращался в трубы, чтобы снова начать процесс.
Это открытие было ключевым моментом в развитии геотермальных тепловых насосов. Системы обогрева "земля-вода" стали более эффективными и экологически дружественными, что в конечном итоге привело к широкому внедрению данной технологии в современные системы отопления и кондиционирования.
А что сейчас?
Несмотря на определенные достижения, тепловые насосы изначально не приобрели высокой популярности и уступали в соревновании с другими источниками тепла. Новый импульс интенсивному развитию тепловых насосов был дан в результате энергетического кризиса 1973 года. Всего за три года после этого события, в США спрос на тепловые насосы вырос до уровня 300 000 установок в год (в то время как в России этот показатель до сих пор остается около 1000 установок в год).
В настоящее время производство тепловых насосов набирает обороты, ежегодно увеличиваясь на 30-40%. Следует отметить, что в странах-лидерах отрасли, таких как Япония, уже установлено более 10 миллионов тепловых насосов, а в США с конвейера ежегодно сходит 1 миллион установок, в Швеции более 50% тепловой энергии бытового назначения получается с помощью тепловых насосов.
Применение тепловых насосов в России
Что касается ситуации в России, рынок тепловых насосов в стране развивается весьма медленно. Даже несмотря на актуальную потребность в экономии на отоплении и ограниченную газификацию, объемы продаж остаются незначительными. Несмотря на это, в нашей компании мы замечаем значительный прирост интереса и спроса на тепловые насосы. Особенно к адаптивным решениям, которые мы применяли на промышленных объектах. О них опишу позже.
Главным образом, недостаток развития рынка связан с недоверием населения к этой технологии, а также низкой стоимостью энергоносителей. Сейчас отечественный рынок тепловых насосов в 1000 раз меньше ЕС. Учитывая высокую энергоемкость нашей экономики, расти просто необходимо для поддержания конкурентоспособности.
