Где используется геотермальная энергия

Геотермальная энергия и ее использование, перспективы геотермальной энергетики

Внутри Земли содержится огромная тепловая энергия. Оценки здесь пока довольно разные, но по самым скромным подсчетам, если ограничиться глубиной 3 км, то из этого слоя может быть извлечено 8 х 10 17 кДж геотермальной энергии. В то же время масштабы ее реального применения у нас в стране и во всем мире незначительны. В чем здесь дело и каковы перспективы использования геотермальной энергетики?

Геотермальная энергия — энергия тепла Земли. Энергия, выделяемая из естественного тепла Земли, называется геотермальной энергией. В качестве источника энергии, тепло Земли, в сочетании с уже имеющимися технологиями, могло бы обеспечить потребности человечества на долгие-долгие годы. И это даже не касаясь тепла, находящегося слишком глубоко, в недосягаемых пока областях.

Миллионы лет из недр нашей планеты выделяется это тепло, причем скорость остывания ядра не превышает 400 °C за миллиард лет! При этом температура ядра Земли, по разным данным, составляет на данный момент не менее чем 6650 °C, и постепенно уменьшается по направлению к ее поверхности. 42 триллиона ватт тепла постоянно выделяются Землей, лишь 2% от которых приходятся на кору.

Внутренняя тепловая энергия Земли то и дело грозно проявляется в форме извержений тысяч вулканов, землетрясений, движений земной коры и других, менее заметных, но от того не менее глобальных, природных процессов.

Научная точка зрения на причины данного явления, заключается в том, что происхождение тепла Земли связано с постоянно идущим процессом радиоактивного распада урана, тория и калия в недрах планеты, а также с гравитационной сепарацией вещества в ее ядре.

Гранитный слой земной коры, на глубине от 20000 метров, является основной областью радиоактивного распада на континентах, а для океанов наиболее активным слоем является верхняя мантия. Ученые считают, что на континентах, на глубине порядка 10000 метров, температура подошвы коры составляет около 700 °C, тогда как в океанах температура достигает лишь 200 °C.

Два процента геотермальной энергии, приходящихся на земную кору, постоянно составляют 840 миллиардов ватт, и это технологически доступная энергия. Наилучшие места для извлечения этой энергии — области близ краев континентальных плит, где кора значительно тоньше, а также районы сейсмической и вулканической активности — где земное тепло проявляет себя очень близко к поверхности.

Где и в каком виде проявляется геотермальная энергия

На данный момент освоением геотермальной энергии активно занимаются: США, Исландия, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Сальвадор, Венгрия, Япония, Россия, Мексика, Кения и другие страны, где тепло из недр планеты поднимается к поверхности в форме пара и горячей воды, вырывающихся наружу, при температурах достигающих 300 °С.

В качестве ярких примеров можно привести знаменитые гейзеры Исландии и Камчатки, а также известный Йеллоустонский национальный парк, расположенный на территории американских штатов Вайоминг, Монтана и Айдахо, занимающий площадь почти в 9000 квадратных километров.

Говоря о геотермальной энергии, очень важно помнить, что в основном она является низкопотенциальной, то есть температура воды или пара, выходящих из скважины, невысока. А это существенно сказывается на эффективности применения такой энергии.

Дело в том, что для производства электроэнергии сегодня экономически целесообразно иметь температуру теплоносителя не ниже 150 °С. В этом случае он направляется непосредственно в турбину.

Есть установки, использующие воду более низкой температуры. В них геотермальная вода нагревает теплоноситель второго контура (например, фреон), имеющий низкую температуру кипения. Образовавшийся пар вращает турбину. Но мощности подобных установок невелики (10 — 100 кВт), а потому стоимость энергии будет выше, чем на электростанциях, использующих воду с высокой температурой.

ГеоЭС в Новой Зеландии

Геотермальные месторождения — это пористые породы, заполненные горячей водой. По существу — они представляют собой природные геотермальные котлы.

А что если воду, отработавшую на поверхности земли, не сбрасывать, а возвращать в котел? Создать циркуляционную систему? В этом случае будет использоваться не только теплота термальной воды, но и окружающих горных пород. Такая система позволит увеличить общее ее количество в 4—5 раз. Снимается вопрос о загрязнении окружающей среды минерализованными водами, поскольку они возвращаются в подземный горизонт.

В форме горячей воды или пара тепло доставляется на поверхность, где используется либо напрямую для обогрева зданий и домов, либо для генерации электрической энергии. Кроме того полезно и поверхностное тепло Земли, до которого добираются, как правило, путем бурения скважин, где градиент возрастает на 1 °C с каждыми 36 метрами.

Для освоения этого тепла используются тепловые насосы. Горячая вода и пар служат для генерации электроэнергии и для отопления напрямую, а теплота сосредоточенная глубоко в отсутствии воды — преобразуется в полезный вид тепловыми насосами. Энергия магмы и теплота которая накапливается под вулканами, — извлекаются аналогичными путями.

Вообще, существует ряд стандартных способов получения электроэнергии на геотермальных электростанциях, но опять же — либо напрямую, либо по схеме похожей на тепловой насос.

В простейшем случае пар просто направляется через трубопровод на турбину электрогенератора. В усложненной схеме — пар предварительно очищается, чтобы растворенные вещества не разрушали трубы. В смешанной схеме — растворенные в воде газы устраняют после конденсации пара в воду.

Наконец, существует бинарная схема, где теплоносителем (для забора тепла и для вращения турбины генератора) выступает другая жидкость с низкой температурой кипения (схема с теплообменником).

Наиболее перспективными считаются вакуум-водяные и хлористо-литиевые абсорбционные тепловые насосы. Первые повышают температуру термальной воды за счет расхода электроэнергии в вакуум-водяном насосе.

Вода из скважины с температурой 60 — 90 °С поступает в вакуумный испаритель. Образовавшийся пар сжимается турбокомпрессором. Давление выбирается в зависимости от того, какая требуется температура теплоносителя.

Если вода идет непосредственно в систему отопления, то это 90 — 95 °С, если в тепловые районные сети, то 120 — 140 °С. В конденсаторе сжатый пар отдает свое тепло воде, циркулирующей в городских тепловых сетях, системах отопления и горячего водоснабжения.

Какие еще существуют варианты, чтобы расширить масштабы применения геотермальной энергетики?

Одно из направлений связано с использованием в значительной мере выработанных нефтяных и газовых месторождений.

Как известно, добыча этого сырья в старых месторождениях ведется методом заводнения, то есть в скважины закачивается вода, которая вытесняет нефть и газ из пор коллектора.

По мере выработки пористые коллекторы заполняются водой, приобретающей температуру окружающих горных пород, и таким образом месторождения превращаются в геотермальный котел, откуда одновременно можно добыть нефть и получать воду для теплоснабжения.

Конечно, приходится бурить дополнительные скважины и создавать циркуляционную систему, но это обойдется значительно дешевле, чем при освоении нового геотермального месторождения.

Еще один вариант — отбор тепла от сухих пород с помощью образования искусственных проницаемых зон. Суть метода в том, чтобы создать с помощью взрывов в сухих породах пористость.

Извлечение теплоты из таких систем ведется следующим образом: на определенном расстоянии друг от друга бурятся две скважины. В одну закачивается вода, которая, двигаясь ко второй по образовавшимся порам и трещинам, отбирает от пород тепло, нагревается, а затем поднимается на поверхность.

Такие опытные системы уже действуют в США и Англии. В Лос-Аламосе (США) две скважины — одна глубиной 2700 м, а другая — 2300 м соединены при помощи гидроразрыва и заполнены циркулирующей водой, нагревающейся до температуры 185 °С. В Англии на карьере Розмениуз вода нагревается до 80 °С.

Тепло планеты как энергетический ресурс

Возле итальянского города Ларедерелло проходит электрическая железная дорога, источником электроэнергии для которой служит сухой пар из скважины. Система работает с 1904 года.

Поля гейзеров в Японии и в Сан-Франциско — два других известных места в мире, где также используется сухой горячий пар для генерации электроэнергии. Что касается влажного пара, то более обширные его поля — в Новой Зеландии, и меньшие по площади — в Японии, России, Сальвадоре, Мексике, Никарагуа.

Если рассмотреть геотермальную теплоту как энергетический ресурс, то его запасы в десятки миллиардов раз превышают годовое потребление энергии человечеством во всем мире.

Всего 1% тепловой энергии земной коры, взятой с глубины в 10000 метров, хватило бы чтобы перекрыть в сотни раз запасы ископаемого топлива, такого как нефть и газ, непрерывно добываемых человечеством, что приводит к необратимому истощению недр и к загрязнению окружающей среды.

Виной всему экономические причины. А ведь геотермальным электростанциям свойственен весьма умеренный уровень выбросов углекислого газа, примерно 122 кг на мегаватт-час полученной электроэнергии, что значительно меньше выбросов, имеющих место при производстве электроэнергии с использованием ископаемого топлива.

Промышленные ГеоЭС и перспективы геотермальной энергетики

Первая промышленная ГеоЭС мощностью 7,5 МВт была построена в 1916 году в Италии. С тех пор накоплен бесценный опыт.

По состоянию на 1975 год общая установленная мощность ГеоЭС в мире составляла 1278 МВт, а в 1990 уже 7300 МВт. Наибольшие объемы освоения геотермальной энергии приходятся на США, Мексику, Японию, Филиппины и Италию.

Первая ГеоЭС на территории СССР была возведена на Камчатке в 1966 году, ее мощность составила 12 МВт.

Начиная с 2003 года в России работает Мутновская ГеоЭС, мощность которой сейчас составляет 50 МВт — это самая мощная в России ГеоЭС на данный момент.

Крупнейшей в мире ГеоЭС является Olkaria IV в Кении, ее мощность составляет 140 МВт.

В перспективе видится весьма вероятным использование тепловой энергии магмы в тех регионах планеты, где она находится не слишком глубоко под поверхностью Земли, а также тепловой энергии разогретых кристаллических пород, когда в выбуренную скважину глубиной в несколько километров закачивают холодную воду, а на поверхность возвращают горячую воду или пар, а дальше получают отопление или генерацию электроэнергии.

Возникает вопрос — почему на данный момент так мало реализованных проектов использования геотермальной энергии? Прежде всего потому, что они размещены в благоприятных местах, где вода либо сама изливается на поверхность земли, либо расположена весьма неглубоко. В таких случаях не нужно бурить глубокие скважины, а ведь именно они — самая дорогостоящая часть освоения геотермальной энергии.

Масштабы использования термальных вод для теплоснабжения значительно больше, чем для производства электроэнергии, однако и они пока малы и не играют значительной роли в энергетике.

Г еотермальная энергетика делает лишь первые шаги и проводящиеся исследования, опытно-промышленные работы должны дать ответ о масштабах ее дальнейшего развития.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое альтернативные источники энергии и какое у них будущее

«Зеленую» энергию выбирают страны, города, компании и граждане. Рассказываем, как возобновляемые источники переходят из категории альтернативных в основные, как они развиваются в России и мире и какое будущее их ждет

Что такое альтернативные источники энергии

Альтернативные источники энергии — это возобновляемые энергетические ресурсы, которые получают благодаря использованию гидроэнергии, энергии ветра, солнечной энергии, геотермальной энергии, биомассы и энергии приливов и отливов. В отличие от ископаемых видов топлива — например, нефти, природного газа, угля и урановой руды, эти источники энергии не истощаются, поэтому их называют возобновляемыми. Только за 2019 год по всему миру установлено объектов возобновляемых источников энергии (ВИЭ) общей мощностью 200 ГВт.

Доля источников энергии в мировом потреблении (Фото: REN21)

Виды альтернативных источников энергии

1. Солнечная энергия

Солнце — главный источник энергии на Земле, ведь около 173 ПВт (или 173 млн ГВт) солнечной энергии попадает на нашу планету ежегодно, а это более чем в 10 тыс. раз превышает общемировые потребности в энергии. Фотоэлектрические модули на крыше или на открытых территориях преобразуют солнечный свет в электрическую энергию с помощью полупроводников — в основном, кремния. Солнечные коллекторы вырабатывают тепло для отопления и производства горячей воды, а также для кондиционирования воздуха.

Солнечные панели могут вырабатывать энергию и в пасмурную погоду, и даже в снегопад. Для наибольшей эффективности их стоит устанавливать под определенным углом — чем дальше от экватора, тем больше угол установки панелей.

2. Энергия ветра

Использование ветра в качестве движущей силы — давняя традиция. Ветряные мельницы использовались для помола муки, лесопильных работ) и в качестве насосной или водоподъемной станции. Современные ветрогенераторы вырабатывают электроэнергию за счет энергии ветра. Сначала они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем в электрическую энергию.

Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся технологий возобновляемой энергетики. По последним данным IRENA, за последние два десятилетия мировые мощности по производству энергии ветра на суше и на море выросли почти в 75 раз — с 7,5 ГВт в 1997 году до примерно 564 ГВт к 2018 году.

3. Энергия воды

Еще в древнем Египте и Римской империи энергия воды использовалась для привода рабочих машин, в том числе мельниц. В средние века водяные мельницы применялись в Европе на лесопильных и целлюлозно-бумажных предприятиях. С конца XIX века энергию воды активно используют для получения электроэнергии.

4. Геотермальная энергия

Геотермальная энергия использует тепло Земли для производства электричества. Температура недр позволяет нагревать верхние слои Земли и подземные водоемы. Извлекают геотермальную энергию грунта с помощью мелких скважин — это не требует больших капиталовложений. Особенно эффективна в регионах, где горячие источники расположены недалеко к поверхности земной коры.

5. Биоэнергетика

Биоэнергетика универсальна. Тепло, электричество и топливо могут производиться из твердой, жидкой и газообразной биомассы. При этом в качестве возобновляемого сырья используются отходы растительного и животного происхождения.

6. Энергия приливов и отливов

Приливы и волны — еще один способ получения энергии. Они заставляют вращаться генератор, который и отвечает за выработку электричества. Таким образом для получения электроэнергии волновые электростанции используют гидродинамическую энергию, то есть энергию, перепад давления и разницу температур у морских волн. Исследования в этой области еще ведутся, но специалисты уже подсчитали — только побережье Европы может ежегодно генерировать энергии в объеме более 280 ТВт·ч, что составляет половину энергопотребления Германии.

Как разные страны мира выполняют планы по энергопереходу

Страны по всему миру поставили себе амбициозные задачи по переходу на возобновляемую энергию. Цели стали частью и Парижского соглашения — к 2030 году решения с нулевым выбросом углерода могут быть конкурентоспособными в секторах, на которые приходится более 70% глобальных выбросов. Сделать это планируется за счет энергетического перехода — процесса замены угольной экономики возобновляемой энергетикой. В 2020 году, несмотря на пандемию и экономическую рецессию, многие города, страны и компании продолжали объявлять или осуществлять планы по декарбонизации.

Ожидается, что в 2021 году Индия внесет самый большой вклад в развитие возобновляемой энергетики. Здесь планируют запустить ряд ветряных и солнечных проектов.

В Евросоюзе также прогнозируется скачок в приросте мощностей в 2021 году. Здесь даже в условиях пандемии не забывают о Green Deal — крупнейшей в истории ЕС коррекции экономического курса. Цель проекта — сформировать в ЕС углеродно-нейтральное пространство к 2030 году. Для этого планируется сократить на 40% объем выбросов парниковых газов от уровня 1990 года и увеличить долю энергии из возобновляемых источников до 32% в общей структуре энергопотребления. Как посчитала Еврокомиссия, достичь этих задач можно будет с помощью ежегодных инвестиций в размере €260 млрд. Доля ВИЭ в энергосистеме ЕС также постоянно растет. Так, около 40% электроэнергии в первом полугодии 2020 года в ЕС было произведено из возобновляемых источников.

Пока же в лидерах инвестиций в развитие возобновляемой энергетики — Китай, США, Япония и Великобритания. С тех пор, как BloombergNEF начал отслеживать эти данные, глобальные инвестиции в ветровую и солнечную энергетику, биотопливо, биомассу и отходы, малую гидроэлектроэнергетику увеличились почти на порядок. В годовом выражении вложения в чистую энергию выросли с $33 млрд до более чем $300 млрд за 20 лет.

Китай за десять лет стал главным производителем оборудования для возобновляемой энергетики. В первую очередь, речь идет о солнечных панелях. Семь из десяти крупнейших мировых производителей солнечных батарей — это китайские компании. В целом развитие технологий удешевило стоимость строительства новых объектов ВИЭ. Это приближает планы Китая стать углеродно нейтральным к 2060 году.

Серьезных шагов в сторону энергоперехода ожидают и от президента США Джо Байдена. Он не только вернул страну в Парижское соглашение, но и заявил о том, что намерен добиться чистых выбросов парниковых газов и перехода на 100% экологичной энергии к 2050 году.

Также к 2050 году планируют использовать только ВИЭ Япония, Южная Корея, Новая Зеландия и Великобритания. Прошедший 2020 год уже стал самым экологичным для энергосистемы Великобритании со времен промышленной революции. Страна целых 67 дней смогла обходиться без угля. От традиционных источников энергии Британия планирует отказаться уже к 2025 году.

Активно развиваются ВИЭ в Испании — по прогнозам, сектор только солнечной энергетики в стране будет расти примерно вдвое быстрее, чем в Германии.

В 2020 году Шотландия получила 97% электроэнергии из возобновляемых источников. С помощью произведенной «зеленой» энергии получилось обеспечить электронужды более чем 7 млн домохозяйств. Шотландия планирует стать углеродной нейтральной уже к 2030 году.

Этот же год выбран временем полного отказа от традиционной энергетики для Австрии, а Саудовская Аравия запланировала к 2030 году получать 50% электроэнергии от ВИЭ.

Национальные цели по доле ВИЭ среди источников энергии (Фото: REN21)

Геотермальная энергия в Рейкьявике и солнечные батареи для Берлина

Отдельные города по всему миру также стремятся стать климатически нейтральными. По данным CDP, из более чем 570 городов мира, по которым ведется статистика, более 100 получают по крайней мере 70% электроэнергии из возобновляемых источников — энергии воды, геотермальной, солнечной и ветровой энергии.

В списке присутствуют такие города, как Окленд, Найроби, Осло, Сиэтл, Ванкувер, Рейкьявик, Порту, Базель, Богота и другие.

Например, Берлингтон (штат Вермонт, США) уже получает 100% электроэнергии от ветра, солнца, воды и биомассы. Вся электроэнергия Рейкьявика производится за счет гидроэлектростанций и геотермальных источников. К 2040 году весь общественный и личный транспорт столицы должен стать свободным от ископаемого топлива.

100% энергии из возобновляемых источников для швейцарского Базеля обеспечивает собственная энергоснабжающая компания. Большая часть электроэнергии поступает от гидроэнергетики и 10% — от ветра. В мае 2017 года Швейцария проголосовала за постепенный отказ от атомной энергетики в пользу ВИЭ.

Мировые столицы также не остаются в стороне. Например, Сенат Берлина утвердил план мероприятий по развитию солнечной энергетики в столице Германии «Masterplan Solarcity». В соответствии с общей стратегией развития города Берлин должен стать климатически нейтральным к 2050 году. В конце 2018 года в Берлине работали солнечных электростанций, которые покрывали 0,7% потребления электроэнергии, к 2050 году 25% энергопотребления города будут обеспечиваться за счет солнечной энергетики.

«Мы продвигаем расширение возобновляемых источников энергии в Берлине. Сейчас на рассмотрении Сената столицы находятся два законопроекта. Закон о солнечной энергии обязывает владельцев частных домов устанавливать солнечные системы на крышах. Законопроект Администрации по окружающей среде и климату сделает использование солнечной энергии в общественных зданиях обязательным уже в 2023 году. Это радикально сократит выбросы CO₂ в Берлине», — рассказала руководитель фракции «Зеленые» в берлинском Сенате Зильке Гебель.

Как бизнес формирует положительный имидж, инвестируя в ВИЭ

Компании по всему миру также создают стратегии и определяют «зеленые» цели, которых они хотят достичь в течение определенного периода времени. Появилось осознание: нужно действовать ответственно и подавать экологичный пример потребителям. Конечно, использование ВИЭ может не только помочь в формировании положительного имиджа для компаний, но и снизить затраты на электроэнергию.

Так, новые серверы Facebook, а также компания General Motors будут получать энергию от солнечной электростанции. Ее строят в штате Кентукки в рамках масштабной программы Green Invest.

IKEA запланировала производить больше электроэнергии на основе возобновляемых источников, чем она потребляет, к 2030 году. В 14 странах на магазинах размещены 920 тыс. солнечных панелей, а также более 530 ветряных турбин. Ingka, материнская компания IKEA, инвестировала около $2,8 млрд в различные проекты ВИЭ и стала владельцем 1,7 ГВт мощностей. Она также продолжит вкладывать средства в строительство ветропарков и солнечных электростанций.

Химический концерн BASF будет постепенно переходить на возобновляемые источники энергии, а также планирует инвестировать в ветропарки.

Компания Intel получает энергию от ветра, солнца, воды и биомассы. С 2012 года Intel инвестировал $185 млн в 2 000 проектов по энергосбережению, а 100% электроэнергии, потребляемой корпорацией в США и ЕС, поступает из ВИЭ.

Apple также ставит перед собой цель стать углеродно нейтральной. Она приобрела несколько солнечных ферм, обеспечивая устойчивую энергию для своих центров обработки данных. С 2018 года все розничные магазины, офисы и центры обработки данных Apple работают на 100% возобновляемой энергии.

Microsoft ежегодно использует более 1,3 млрд. кВт·ч «зеленой» энергии при разработке ПО, работы центров обработки данных и производства. Компания обязалась сократить выбросы углекислого газа на 75% к 2030 году.

Будущее геотермальной энергетики: возобновляемая энергия из недр Земли

Среди возобновляемых источников энергии выделяют и геотермальную энергетику: установки с тепловыми насосами, геотермальные электростанции. Рассказываем, как они устроены, по какому принципу работают и где актуальны

Эксперт: Игорь Валигун — окончил РХТУ им. Менделеева по специальности инженер-эколог, специалист по возобновляемым источникам энергии (тепловые насосы), кандидат экономических наук в области возобновляемой энергетики.

Как можно использовать геотермальную энергию

Геотермальную энергию особенно актуально использовать там, где есть природные подземные термальные воды, вулканическая активность и гейзеры. Даже в условиях северного климата — на территории Сибири и Дальнего Востока. Тепловые установки с геотермальными насосами могут использоваться в бизнесе, в промышленности, для частных потребителей — обогревать школы, детские сады, жилые дома. Извлекать геотермальную энергию можно при помощи геотермальных электростанций и геотермальных установок с тепловыми насосами. Есть два типа геотермальных установок. Первые используют горячие источники (гейзеры, вулканы) с температурой от 100 до 1300 ºC. Второй тип — это установки, которые используют низкопотенциальное тепло земли.

Горячие источники

Примерно половина из всех действующих в мире геотермальных электростанций работает на месторождениях сухого пара от термальных подземных вод. Но их количество невелико, и почти все они расположены там, где есть гейзеры и термальные воды: в России таких мест немного — на Камчатке, в Западной Сибири (Омская, Новосибирская область), в Дагестане. Эффективность и привлекательность такой энергии, безусловно, очень велика: чистый, бесплатный и неиссякаемый источник тепла — звучит как фантастический прогноз самых смелых футурологов. Геотермальные электростанции используют прямой способ добычи тепла из подземных вод. Он довольно прост: вода закачивается насосами через трубы, проложенные в скважинах. Проходя по этим трубам, вода нагревается и превращается в пар под давлением, который на выходе из земли попадает на лопасти паротурбинных установок (ПТУ) и вращает их. При этом ПТУ вырабатывают электрическую энергию, а пар опять превращается в воду, которая уходит под землю на нагрев, и цикл повторяется. ГеоТЭС построены на Камчатке, в Исландии, Кении, Новой Зеландии — везде, где есть относительно доступный источник высокой температуры (>100 ºC — так как воду необходимо превратить в пар). И при этом пар легкодоступен — не требуется крайне дорогостоящее бурение скважин на многие километры вглубь земной коры. Например, на Паужетской ГеоТЭС (Камчатский край) используются скважины глубиной от 366 м до 1205 м. Разумеется, горячий пар на ГеоТЭС может служить источником тепла для котельных, и применяться для отопления близлежащих с ГеоТЭС поселков и городов, что делает теплоснабжение очень доступным и экологичным.

Тепло земли

Но не везде на территории России есть вулканы и гейзеры. Поэтому используется и второй тип геотермальных установок с низкопотенциальным теплом земли. Ведь на глубине в 8–10 м температура никогда не падает ниже +4–10 ºC (в зависимости от региона). Соответственно зимой на улице −20 ºC, а под землей +5 ºC. Тепловой насос извлекает это тепло из-под земли, концентрирует его и передает в систему отопления зданий в виде тепла с температурой 45–75 ºC. Геотермальные установки с тепловыми насосами обычно не используют для выработки электрической энергии, чаще их применяют непосредственно для отопления зданий. Тепловой насос забирает тепло/энергию из любых источников низкопотенциального тепла (воды, воздуха, земли с невысокой температурой ~5–8 ºC) и концентрирует его, а потом передает для отопления зданий. Газификация поселений в России составляет примерно 70%, и на оставшихся 30% территории использование систем отопления на базе геотермальных насосов может быть чуть ли не единственной альтернативой дровам, поскольку ни энергия солнца, ни энергия ветра не способны полностью отапливать здания. Для отопления более эффективными являются насосы «почва—вода»: они забирают тепло почвы и передают его воде, циркулирующей в системе отопления зданий. Для забора тепла из почвы или грунтовой воды используется так называемый первичный теплообменный контур: он представляет собой закольцованную трубу, проложенную в почве с циркулирующим по ней хладагентом (чаще всего раствором спирта в воде). Проходя через слой земли (или грунтовой воды) хладагент нагревается до 4–8 ºC, и фактически «приносит» тепло для теплового насоса. Тепловой насос посредством фреона и компрессора превращает 4–8 ºC в 45–70 ºC (то есть концентрирует), и отдает это тепло воде, циркулирующей в трубах системы отопления здания. Такие установки могут быть как малыми (рассчитанными на малоэтажное и коттеджное строительство — и их сейчас большинство), так и рассчитанными на обогрев многоэтажных строений. Последнее все же пока редкость — на территории РФ есть несколько пилотных проектов.

Опыт использования в бизнесе и сельском хозяйстве

Геотермальные установки использовались в СССР в южных районах для снабжения теплом теплиц и для обогрева прудов (аквакультуры) и бассейнов. С 1966 года успешно работали системы теплоснабжения на основе геотермальных установок в городах Махачкала, Кизляр, Избербаш и других населенных пунктах Дагестана. В 1969 году при помощи геотермальных установок обеспечивались теплом 15 га теплиц в Махачкале. В 1985 году годовая добыча геотермальной воды в Краснодарском крае достигла 8,5 млн м³, отапливались жилые дома в семи населенных пунктах и 30 га теплиц. Геотермальный теплоноситель вначале поступал на отопление зданий, затем в теплицы для выращивания помидоров, огурцов, лимонов. Далее при температуре 30 ºС геотермальная вода поступала в рыборазводные пруды. В 1990-е вся эта инфраструктура пришла в запустение. Работы единственного в России Института геотермальных проблем Российской академии наук в Махачкале были не востребованы. Государство и бизнес сделали ставку на углеводороды, не развивая возобновляемые источники энергии.

Как на этом заработать?

В настоящее время, в условиях резкого роста цен на энергоносители и огромной инфляции, возрождается интерес к геотермальной энергетике, но на развитие проектов в этой сфере нужны время и средства. Волна интереса к геотермальной энергетике снова поднимается: можно получить субсидирование по федеральному проекту «Чистый воздух», в рамках которого государство частично компенсирует переход на более экологичные виды источников тепла. Потенциал использования геотермальной энергии в промышленности довольно большой: особенно на юге РФ. В 2015 году на Ханкальском месторождении (Чеченская Республика) для теплоснабжения 3 га теплиц была построена геотермальная система теплоснабжения мощностью 8,7 МВт с реинжекцией отработанного теплоносителя. Кроме того, тепловые насосы можно использовать в качестве кондиционеров летом, так как температура на глубине в несколько метров под землей меньше, чем у воздуха. Таким образом достигается экономия на дополнительной установке кондиционеров.

Плюсы геотермальной электроэнергетики

• Высокая экологичность. В сравнении с традиционной углеводородной энергетикой практически полностью отсутствуют выбросы парниковых газов, главный из которых — углекислый газ, получаемый в результате сгорания ископаемого топлива (уголь, нефть, газ).
• Возобновляемость. Неиссякаемый источник энергии (использование ~1% энергии земли способно покрыть всю потребность человечества в энергии).
• Высокая эффективность. На 1 кВт потребленной энергии (в основном в виде электричества, затрачиваемого на питание компрессора), тепловой насос, в зависимости от условий, способен выдать 4–5 кВт тепловой энергии.

Минусы геотермальной электроэнергетики

• Высокие капитальные затраты. Как на сам тепловой насос, так и на бурение скважин. Стоимость теплового насоса — от ₽250 тыс. Для сравнения: электрический котел стоит от ₽15 тыс., газовый котел для частного дома — от ₽60 тыс., не считая подводки газа до дома (что в отдельных случаях занимает годы, и может быть намного дороже всего геотермального проекта). Иногда затраты на бурение скважин для первичного контура теплового насоса составляют более 50% от стоимости всего проекта. По данным Всемирного банка, стоимость проведения геологоразведочных работ и программы начального экспериментального бурения трех-пяти геотермальных скважин составляет от $20 до 30 млн.
• Низкий КПД системы для традиционных батарей отопления. В случае, если необходимо получать высокую температуру во вторичном контуре, тепловые насосы показывают меньшую эффективность в сравнении с традиционными системами отопления. Таким образом, они лучше сочетаются с популярной сейчас системой отопления «теплый пол»: где требуется, чтобы теплоноситель имел температуру 45 ºС, чем с традиционными батареями, система которых требует, чтобы теплоноситель был 75 ºС.
• Недостаточно эффективны в холодном климате. Тепловые насосы более эффективны (показывают более высокий КПД) в условиях европейской зимы, нежели российской — с отрицательными температурами до −20 ºС, а в некоторых регионах и до −40 ºС. В случае с тепловыми насосами КПД тем выше, чем меньше разница температур на входе в тепловой насос и на выходе из него. Например, при прочих равных условиях, сравним зиму в Париже и в Подмосковье. Температура воздуха в Париже зимой около -3 ºС, а температура земли +10 ºС, разница — 13 ºС. Зимой в Подмосковье температура воздуха, в среднем, -15 ºС, а температура почвы всего лишь +5 ºС, разница — 20 ºС. И если мы возьмем два одинаковых частных дома, на отопление которых потребуется скажем 12 кВт тепловой энергии в час, то в Париже нам нужно будет ставить менее мощную модель насоса, а значит компрессор будет потреблять меньше электричества, понадобится делать меньше скважин в земле, а значит длина труб и объем спиртового хладагента будет меньше, чем в России. Таким образом, при прочих равных условиях, затраты на получение 1 кВт тепловой энергии в РФ выше, чем в Европе. Но это не означает, что тепловые насосы нецелесообразно применять в РФ, просто капитальные вложения будут больше. Их целесообразно применять там, где нет возможности подвести газ.

Геотермальная энергия в других странах

По данным Всемирного банка, общемировой потенциал геотермальной энергетики составляет от 70 до 80 ГВт. Однако в настоящее время для производства электроэнергии в мире используется лишь 15% известных запасов геотермальной энергии, и суммарная мощность этих установок равна всего 13 ГВт.

Геотермальную энергию активно используют в США и Китае — эти страны сейчас бесспорные лидеры в данном направлении, но их уже догоняет Япония. Успешно используются геотермальные источники для получения энергии на Филиппинах, в Индонезии и Новой Зеландии.

США финансируют строительство геотермальной электростанции в Никарагуа, которая должна покрыть потребность страны в энергии на 20%. Отчасти успех геотермальных электростанций связан все же с более мягкими климатическими условиями в этих странах.

Но есть и пример Исландии — северной страны с суровым климатом. Первая в мире геотермальная электростанция, работающая в промышленных масштабах, была запущена именно там в 2014 году. Она построена на вулканическом кратере и получает энергию из магмы Земли (в этом месте магма подходит к поверхности максимально близко, температура там достигает сотни градусов по Цельсию). Поэтому скважины на этой станции не глубокие — всего 2 км.

Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс

Дано: внутри Земли имеется горячее ядро, с его помощью нужно выработать электричество.
Вопрос: как это сделать?
Ответ: построить геотермальную электростанцию.
Разбираемся, как именно, откуда под землёй пар и много ли пользы от такой электростанции.

Самый старый и самый популярный на сегодняшний день метод получения электричества в промышленных масштабах — это вращение турбины генератора мощным потоком горячего пара от вскипевшей из-за принудительного разогрева воды. Если вдуматься, то и в угольной ТЭС, и в современной АЭС суть работы сводится к кипячению воды с той лишь разницей, что в ТЭС для этого сжигается уголь, а в реакторе АЭС её кипятят нагревающиеся в результате управляемой цепной реакции ТВЭЛы.

Но зачем греть воду, если в некоторых местах она поступает из-под земли уже горячей? Нельзя ли использовать её напрямую? Можно: в 1904 году итальянец Пьеро Джинори Конти запустил первый генератор, работавший от пара естественных геотермальных источников, в изобилии присутствующих в Италии. Так появилась первая в мире геотермальная электростанция, которая работает до сих пор.

Впрочем, чтобы обеспечить геотермальной электростанции приемлемые КПД и стоимость, нужна вода определённой температуры, находящаяся не глубже определённого уровня. Если вы захотите построить геотермальную электростанцию (скажем, на своём дачном участке), вам для начала придётся заняться бурением скважин до водоносных слоёв, где вода под огромным давлением разогревается до 150-200 °C и готова выйти на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Ну а далее, подобно электростанциям на ископаемом топливе, поступающий пар будет вращать турбину, которая приведёт в действие генератор, вырабатывающий электричество. Использовать естественное тепло планеты для получения пара — это и есть геотермальная энергетика. А теперь перейдём к деталям.

Немного о тепле Земли

Температура поверхности твёрдого ядра Земли на глубине около 5100 км равна примерно 6000 °C. При приближении к земной коре температура постепенно снижается.

Понятный график изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1

Так называемый геотермический градиент — изменение температуры на определенном участке земной толщи, — в среднем составляет 3 °C на каждые 100 метров. То есть в шахте на глубине 1 км будет стоять тридцатиградусная жара —кто бывал в такой шахте, это подтвердит. Но в зависимости от региона температурный градиент меняется — например, в Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 км была зафиксирована температура 220 °C, а в некоторых местах планеты, у тектонических разломов и зонах вулканической активности, для достижения аналогичных температур достаточно пробурить от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 км. В американском штате Орегон геотермический градиент 150 °C на 1 км, а в Южной Африке всего 6 °C на 1 км. Отсюда вывод: где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь (перед началом работ убедитесь, что ваш дачный участок находится в подходящем месте). Как правило, подходящие места те, где сильная геологическая активность — часто происходят землетрясения и имеются действующие вулканы.

Виды геотермальных электростанций

В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии имеется в наличии (скажем, в вашем ДСК), вы будете выбирать тип электростанции. Разберёмся, какие они бывают.

Гидротермальная станция

Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет понятна даже ребенку: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Всё действительно так просто, если нам повезло найти подходящий источник пара.

ГеоТЭС прямого цикла. Источник: Save On Energy

Если из имеющейся у вас в наличии скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор будет отделять пар от воды — пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины.

Если вашему дачному посёлку не повезло с горячими источниками — например, если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, — а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения.

ГеоТЭС бинарного цикла. Источник: Save On Energy

Петротермальная станция

Разогретые подземные источники — весьма редкое явление в масштабах планеты, как вы, наверное, могли заметить, что резко ограничивает потенциальную область внедрения геотермальной энергетики, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячей глубине земной коры нет воды, значит, ее нужно туда закачать. Петротермальный принцип подразумевает закачку воды в глубокую скважину с разогретой породой, где жидкость превращается в пар и возвращается обратно на турбину электростанции.

Упрощенная схема петротермальной электростанции

Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну с поверхности будет подаваться вода, чтобы от тепла пород превратиться в пар и выйти через другую скважину. А далее процесс получения электроэнергии будет полностью аналогичен гидротермальной станции.

Естественно, соединить под землей на глубине нескольких километров две скважины нереально — вода между ними сообщается за счет разломов, образующихся в результате закачивания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв). Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.

В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.

Преимущества геотермальной энергетики

Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.

Неисчерпаемость. Электростанции на ископаемом топливе — природном газе, угле, мазуте — сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики. Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (в результате действий человека, по крайней мере). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за 1 млрд лет. Не стоит беспокоиться о том, что человечество способно ускорить этот процесс бурением скважин и закачкой туда воды — падение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2·1020 кВт·ч энергии, что в миллионы раз больше ежегодного потребления электроэнергии всем человечеством.

Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света — нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер — вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.

Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой — задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.

Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 — даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной — 1340 м2.

Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.

Возможность параллельной добычи полезных ископаемых. Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.

Недостатки геотермальной энергетики

Рабочая жидкость опасна. Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар — это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.

Результат воздействия геотермальной воды на металлы.

При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.

Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения: ТЭС — $1000/кВт, ветряки — $1600/кВт, солнечная электростанция — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.

Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов.

Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.

Гидротермальная комбинированная станция комплекса The Geysers в Калифорнии. И таких там 22. Источник: Wikimedia / Stepheng3

Где всё это работает и насколько это перспективно

По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Да, не геотермальная революция, но рост налицо.

Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении — и вовсе 51%! Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС.

Первая геотермальная электростанция, «Мацукава», открылась в Японии в 1966 году. Она вырабатывала 23,5 МВт, а турбину и генератор для неё произвела Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в странах Африки, где началось активное заключение контрактов и строительство ГеоТЭС. В 2015 году в Кении была открыта станция Olkaria IV, одна из четырёх, находящаяся в зоне Олкария в 120 км от Найроби, с мощностью 140 МВт. С ее помощью правительство снижает зависимость от гидроэлектростанций, сброс воды из которых часто приводит к разрушительным наводнениям.

ГеоТЭС Olkaria IV в Кении. Olkaria V и Olkaria VI планируют ввести в строй в 2021 году. Источник: Toshiba

ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.

В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.

Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт — первая бинарная ГеоТЭС в мире.

Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.

На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика — это наш задел на будущее, раскрыть потенциал которого в полной мере нам еще только предстоит.

• Блог компании Toshiba
• Научно-популярное
• Энергия и элементы питания
• Будущее здесь