Геотермальные электростанции — прекрасная альтернатива традиционным методам получения энергии. Геотермальная энергия и способы её добычи Геотермальная энергетика преимущества и недостатки

Геотермальные электростанции в России являются перспективным возобнобляемым источником. Россия имеет богатые геотермальные ресурсы с высокой и низкой температурами и делает хорошие шаги в этом направлении. Концепция экологической защиты может помочь продемонстрировать преимущества возобновляемых альтернативных источников использования энергии.

В России геотермальные исследования проведены в 53 научных центрах и высших учебных заведениях расположенных в разных городах и в разных ведомствах: Академии наук, Министерствах образования, природных ресурсов, топлива и энергетики. Такие работы проводятся в некоторых региональных научных центрах, как Москва, Санкт-Петербург, Архангельск, Махачкала, Геленджик, Приволжье (Ярославль, Казань, Самара), Урал (Уфа, Екатеринбург, Пермь, Оренбург), Сибирь (Новосибирск, Тюмень, Томск, Иркутск, Якутск), Дальний Восток (Хабаровск, Владивосток, Южно-Сахалинск, Петропавловск-на-Камчатке).

В этих центрах, проводятся: теоретические, прикладные, региональные изыскания, а также создается специальный инструментарий.

Использование геотермальной энергии

Геотермальные электростанции в России используются в основном для теплоснабжения и обогрева нескольких городов и населенных пунктов на Северном Кавказе и Камчатке с общей численностью населения 500 тыс.чел. Кроме того, в некоторых регионах страны глубокое тепло используется для теплиц общей площадью 465 тыс. м 2 . Самые активные гидротермальные ресурсы используются в Краснодарском крае, Дагестане и на Камчатке. Примерно половину добытых ресурсов применяется для теплоснабжения жилья и промышленных помещений, третья часть – на отопление теплиц, а только около 13 % – для промышленных процессов.

Помимо этого термальные воды используются примерно в 150 санаториях и 40 заводах по розливу минеральной воды. Количество электрической энергии, разработанной геотермальными электростанциями в России увеличивается по сравнению с мировым,но остается крайне незначительным.

Доля составляет всего 0,01 процента от общей выработки электроэнергии в стране.

Наиболее перспективным направлением использования низкотемпературных геотермальных ресурсов является применение тепловых насосов. Этот способ является оптимальным для многих регионов России – в Европейской части России и на Урале. Пока делаются первые шаги в этом направлении.

Электричество вырабатывается на некоторых электростанциях (ГеоЭС) только на Камчатке и Курильских островах. В настоящее время три станции работают на Камчатке:

Паужетская ГеоЭС (12 МВт), Верхне-Мутновская (12 МВт) и Мутновская ГеоЭС (50 МВт).

Паужетская ГеоЭС внутри

Две небольших ГеоЭС находятся в эксплуатации на островах Кунашир – Менделеевская ГеоТЭС, Итуруп – «Океанская» с установленной мощностью 7,4 МВт и 2,6 МВт соответственно.

Геотермальные электростанции в России по своему объему стоят на последних местах в мире. В Исландии приходится более 25% добываемой электроэнергии этим способом.

Менделеевская ГеоТЭС на Кунашире

Итуруп – «Океанская»

Россия имеет значительные геотермальные ресурсы и имеющийся потенциал гораздо больше, чем текущее положение.

Этот ресурс далеко не адекватно развит в стране. В бывшем Советском Союзе, геолого-разведочные работы полезных ископаемых, нефти и газа хорошо поддерживался. Однако такая обширная деятельность не направлена для изучения геотермальных резервуаров даже в следствие подхода: геотермальные воды не считались энергетическими ресурсами. Но все-таки результаты бурения тысяч “сухих скважин” (просторечие в нефтяной отрасли), приносят вторичную выгоду для геотермальных исследований. Эти заброшенные колодцы которые были во время исследований нефтяной отрасли дешевле отдать для новых целей.

Преимущества и проблемы использования геотермальных ресурсов

Экологические преимущества использования возобновляемых источников энергии, таких как геотермальная признано. Однако есть серьезные препятствия на пути развития возобновляемых ресурсов, которые препятствуют развитию. Подробные геологические исследования и дорогостоящее бурение геотермальных скважин представляет собой крупные финансовые затраты, связанные со значительными геологическими и техническими рисками.

Использование возобновляемых источников энергии, включая геотермальные ресурсы, имеют также преимущества.

Во-первых, использование местных энергетических ресурсов может снизить зависимость от импорта или необходимости строительства новых генерирующих мощностей для теплоснабжения в промышленных или жилых районах горячего водоснабжения.
Во-вторых, замена традиционных видов топлива чистой энергией вызывает значительные улучшения состоянии окружающей среды и общественного здравоохранения и имеет соответствующую экономию.
В-третьих, мера экономии энергии связан с КПД. Системы централизованного теплоснабжения являются общими в городских центрах России и нуждаются в модернизации и перехода на возобновляемые источники энергии со своими преимуществами. Это особенно важно с экономической точки зрения, устаревшие системы централизованного теплоснабжения не экономичны и инженерное время жизни уже истекло.

Геотермальные электростанции в России “чище” по сравнению с используемые ископаемое топливо. Международная конвенция по изменению климата и программы Европейского сообщества предусматривают продвижение возобновляемых источников энергии. Однако специфические юридические предписания относительно разведочных работ и добычи геотермальных вод отсутствует во всех странах. Отчасти это объясняется тем, что воды регулируются в соответствии с законами водных ресурсов, полезные ископаемые в соответствии с энергетическими законами.

Геотермальная энергия не относится к определенным равзделам законодательства и затрудняется решение различных методов эксплуатации и использования геотермальной мощности.

Геотермальная энергетика и устойчивое развитие

Промышленное развитие за последние два столетия принесло множество инноваций для человеческой цивилизации и принесли эксплуатацию природных ресурсов с угрожающей быстротой. Начиная с семидесятых годов 20-го века серьезные предупреждения о “пределах роста” пошли по миру с большим эффектом: ресурс эксплуатации, гонка вооружений, расточительное потребление разбазарили эти ресурсы в ускоренном темпе, наряду с экспоненциальным ростом численности населения планеты. На все это безумие необходимо большее количество энергии.

Самые расточительное и безперспективное – безответственность человека по привычке израсходования конечных и быстро истощающихся энергетических ресурсов угля, нефти и газа. Этой безответственной деятельностью занимается химическая промышленность для производства пластмасс, синтетических волокон, строительных материалов, красок, лаков, фармацевтических и косметических продуктов, пестицидов и многих других продуктов органической химии.

Но самый катастрофический эффект от использования ископаемого топлива -это равновесие биосферы и климата до такой степени, что необратимо будет влиять на наш жизненный выбор: рост пустынь, кислотные дожди портящие плодородные земли, отравление рек, озер и грунтовых вод, порча питьевой воды для растущего населения планеты, – и худшее из всех – более частые погодные катаклизмы, втягивающие ледники, разрушиающие горнолыжные курорты, тающие ледники, оползни, более сильные штормы, затопление густонаселенных прибрежных районов и островов, тем самым подвергая опасности людей и редкие виды флоры и фауны в результате миграций.

Потеря плодородных земель и культурное наследие происходит за счет добычи неумолимо растущего ископаемого топлива, выбросов в атмосферу, вызывающих глобальное потепление.

Путь к чистой, устойчивой энергетике сохраняющей ресурсы и привлечение биосферы и климата в естественный баланс связан с использованием в виде геотермальных электростанций в России.

Ученые понимают необходимость сокращения сжигания ископаемого топлива выходящего за пределы целевых показателей Киотского протокола для того, чтобы замедлить глобальное потепление атмосферы Земли.

Данная энергия относится к альтернативным источникам. В наши дни всё чаще упоминают о возможностях получения ресурсов, которые дарит нам планета. Можно сказать, что мы живем в эпоху моды на возобновляемую энергетику. Создается множество технических решений, планов, теорий в данной области.

Он находится глубоко в земляных недрах и имеет свойства возобновления, другими словами он бесконечный. Классические ресурсы, по данным учёных начинают заканчиваться, иссякнет нефть, уголь, газ.

Несьявеллир ГеоТЭС, Исландия

Поэтому можно постепенно готовиться принимать на вооружение новые альтернативные методы добычи энергии. Под земной корой находится мощное ядро. Его температура составляет от 3000 до 6000 градусов. Перемещение литосферных плит демонстрирует его огромнейшую силу. Она проявляется в виде вулканического выплескивания магмы. В недрах происходит радиоактивный распад, побуждающий иногда к таким природным катаклизмам.

Обычно магма нагревает поверхность не выходя за её пределы. Так получаются гейзеры или теплые бассейны воды. Таким образом, можно использовать физические процессы в нужных целях для человечества.

Виды источников геотермальной энергии

Её принято разделять на два вида: гидротермальную и петротермальную энергию. Первый образуется за счет теплых источников, а второй тип – это разница температур на поверхности и в глубине земли. Объясняя своими словами, гидротермальный источник состоит из пара и горячей воды, а петротермальный спрятан глубоко под грунтом.

Карта потенциала развития геотермальной энергетики в мире

Для петротермальной энергии необходимо пробурить две скважины, одну наполнить водой, после чего произойдет процесс парения, который выйдет на поверхность. Существует три класса геотермальных районов:

Геотермальный – расположен вблизи континентальных плит. Градиент температуры более 80С/км. В качестве примера, итальянская коммуна Лардерелло. Там размещена электростанция
Полутермальный – температура 40 – 80 С/км. Это естественные водоносные пласты, состоящие из раздробленных пород. В некоторых местах Франции обогреваются таким способом здания
Нормальный – градиент менее 40 С/км. Представительство таких районов наиболее распространено

Они являются отличным источником для потребления. Они находятся в горной породе, на определенной глубине. Более подробно рассмотрим классификацию:

Эпитермальные – температура от 50 до 90 с
Мезотермальные – 100 – 120 с
Гипотермальные – более 200 с

Данные виды состоят из разного химического состава. В зависимости от него, можно использовать воды для различных целей. Например, в производстве электроэнергии, теплообеспечении (тепловые трассы), сырьевой базе.

Видео: Геотермальная энергия

Процесс теплоснабжения

Температура воды 50 -60 градусов, является оптимальной для отопления и горячего снабжения жилого массива. Нужда в отопительных системах зависит от географического расположения и климатических условий. А в потребностях ГВС люди нуждаются постоянно. Для этого процесса сооружаются ГТС (геотермальные тепловые станции).

Если для классического производства тепловой энергии используется котельная, потребляющая твёрдое или газовое топливо, то при данном производстве используется гейзерный источник. Технический процесс очень простой, те же коммуникации, тепловые трассы и оборудование. Достаточно пробурить скважину, очистить её от газов, далее насосами направить в котельную, где будет поддерживаться температурный график, а после она попадёт в теплотрассу.

Главное отличие в том, что нет необходимости использовать топливный котлоагрегат. Это существенно снижает себестоимость тепловой энергии. Зимой абоненты получают тепло и горячее водоснабжение, а летом только ГВС.

Производство электроэнергии

Горячие источники, гейзеры служат основным компонентами в производстве электричества. Для этого применяется несколько схем, сооружаются специальные электростанции. Устройство ГТС:

Бак ГВС
Насос
Газоотделитель
Паросепаратор
Генерирующая турбина
Конденсатор
Повысительный насос
Бак – охладитель

Как видим основным элементом схемы, является паровой преобразователь. Это позволяет получать очищенный пар, так как в нем содержатся кислоты, разрушающие оборудование турбин. Существует возможность применение смешанной схемы в технологическом цикле, то есть вода и пар участвуют в процессе. Жидкость проходит всю стадию очистки от газов, так же как и пар.

Схема с бинарным источником

Рабочим компонентом является жидкость с низкой температурой кипения. Термальная вода также участвует в производстве электроэнергии и служит второстепенным сырьем.

С её помощью образуется пар низкокипящего источника. ГТС с таким циклом работы могут быть полностью автоматизированы и не требовать наличия обслуживающего персонала. Более мощные станции используют двухконтурную схему. Такой вид электростанций позволяет выходить на мощность 10 МВт. Двухконтурная структура:

Паровой генератор
Турбина
Конденсатор
Эжектор
Питательный насос
Экономайзер
Испаритель

Практическое применение

Огромные запасы источников во много раз превосходят ежегодное потребление энергии. Но лишь малая доля используется человечеством. Строительство станций датировано 1916 годом. В Италии была создана первая ГеоТЭС мощностью 7,5 МВт. Отрасль активно развивается в таких странах как: США, Исландия, Япония, Филиппины, Италия.

Ведутся активные изучение потенциальных мест и более удобные методы добывания. Из года в год растёт производственная мощность. Если брать в расчёт экономический показатель, то себестоимость такой отрасли равна угольным ТЭС. Исландия практически полностью покрывает коммунально-жилой фонд ГТ-источником. 80 % домов для отопления используют горячую воду из скважин. Эксперты из США утверждают, что при должном развитии ГеоТЭС могут произвести в 30 раз больше ежегодного потребления. Если говорить о потенциале, то 39 стран мира смогут полностью себя обеспечить электроэнергией, если на 100 процентов используют недра земли.

Находится на глубине 4 км:

Япония расположена в уникальной географической местности, связанной с движением магмы. Постоянно происходят землетрясения и извержения вулканов. Обладая такими природными процессами, правительство внедряет различные разработки. Создано 21 объект с общей производительностью 540 Мвт. Проводятся эксперименты по извлечению тепла из вулканов.

Плюсы и минусы ГЭ

Как говорилось ранее, ГЭ используется в различных сферах. Существуют определенные достоинства и недостатки. Поговорим о достоинствах:

Бесконечность ресурсов
Независимость от погоды, климата и времени
Многогранность применения
Экологически безопасна
Низкая себестоимость
Обеспечивает энергонезависимость государству
Компактность оборудования станций

Первый фактор самый основной, побуждает изучать такую отрасль, поскольку альтернатива нефти достаточно актуальна. Отрицательные изменения на нефтяном рынке усугубляют глобальный экономический кризис. При работе установок не загрязняется внешняя среда, в отличие от других. Да и сам по себе цикл не требует зависимости от ресурсов и его транспортировки к ГТС. Комплекс сам себя обеспечивает и не зависит от других. Это огромный плюс для стран с низким уровнем полезных ископаемых. Безусловно, бывают негативные моменты, ознакомимся с ними:

Дороговизна разработок и строительство станций
Химический состав требует утилизации. Её нужно сливать обратно в недра или океан
Выбросы сероводорода

Выбросы вредных газов очень незначительны и не сопоставимы с другими производствами. Оборудование позволяет эффективно удалять его. Отходы сбрасываются в землю, где оборудованы колодцы специальными цементными каркасами. Такая методика позволяет исключить возможность загрязнения грунтовых вод. Дорогие разработки имеют тенденцию к уменьшению, так как прогрессирует их усовершенствование. Все недостатки тщательно изучаются, ведется работа по их устранению.

Дальнейший потенциал

Наработанный базис знаний и практики становится фундаментом для будущих достижений. Пока рано говорить о полном замещении традиционных запасов, поскольку не до конца изучены термальные зоны и методы добычи энергоресурсов. Для более быстрого развития требуется больше внимания, финансовых инвестиций.

Пока общество знакомится с возможностями, медленно двигается вперед. По экспертным оценкам лишь 1 % мировой электроэнергии добывается данным фондом. Возможно, будут разработаны комплексные программы развития отрасли на глобальном уровне, проработаны механизмы и средства достижения целей. Энергия недр способна решить экологическую проблему, ведь с каждым годом вредных выбросов в атмосферу становится больше, загрязняются океаны, оказывается тоньше озоновый слой. Для быстрого и динамичного развития отрасли нужно убрать основные препятствия, тогда она во многих странах станет стратегическим плацдармом, способным диктовать условия на рынке и поднимет уровень конкурентоспособности.

Ресурсы нашей планеты не бесконечны. Используя в качестве главного источника энергии природные углеводороды, человечество рискует в один прекрасный момент обнаружить, что они исчерпаны, и прийти к глобальному кризису потребления привычных благ. XX век стал временем масштабных сдвигов в области энергетики. Ученые и экономисты в разных странах всерьез задумались о новых способах получения и возобновляемых источниках электричества и тепла. Наибольший прогресс был достигнут в области ядерных исследований, но появились интересные идеи, касающиеся полезного использования других природных явлений. Ученые давно узнали, что планета наша внутри горяча. Для получения пользы от глубинного тепла созданы геотермальные электростанции. В мире пока их немного, но, возможно, со временем станет больше. Каковы их перспективы, не опасны ли они и можно ли рассчитывать на высокую долю ГТЭС в общем объеме добываемой энергии?

Первые шаги

В дерзновенных поисках новых источников энергии ученые рассматривали множество вариантов. Изучались возможности освоения энергии приливов и отливов Мирового океана, преобразования солнечного света. Вспомнили и о старинных ветряных мельницах, снабдив их вместо каменных жерновов генераторами. Большой интерес представляют и геотермальные электростанции, способные вырабатывать энергию из тепла нижних раскаленных слоев земной коры.

В середине шестидесятых годов СССР не испытывал ресурсного дефицита, но энерговооруженность народного хозяйства, тем не менее, оставляла желать лучшего. Причина отставания от промышленно развитых стран в этой области состояла не в недостатке угля, нефти или мазута. Огромные расстояния от Бреста до Сахалина затрудняли доставку энергии, она становилась очень дорогой. Советские ученые и инженеры предлагали самые смелые решения этой задачи, и некоторые из них воплощались в жизнь.

В 1966 году на Камчатке заработала Паужетская геотермальная электростанция. Ее мощность составила довольно скромную цифру в 5 мегаватт, но этого вполне хватало для снабжения близлежащих населенных пунктов (поселков Озерновского, Шумного, Паужетки, сел Усть-Большерецкого р-на) и промышленных предприятий, главным образом рыбоконсервных заводов. Станция была экспериментальной, и сегодня можно смело утверждать, что опыт удался. В качестве источников тепла используются вулканы Камбальный и Кошелев. Преобразование осуществляли две установки турбогенераторного типа, первоначально по 2,5 МВт. Через четверть века установленную мощность удалось поднять до 11 МВт. Старое оборудование полностью исчерпало свой ресурс только в 2009 году, после чего была произведена полная реконструкция, включавшая и прокладку дополнительных трубопроводов теплоносителя. Опыт успешной эксплуатации побудил энергетиков строить и другие геотермальные электростанции. В России их сегодня пять.

Как работает

Исходные данные: в глубине земной коры есть тепло. Его нужно преобразовать в энергию, например, электрическую. Как это сделать? Принцип работы геотермальной электростанции достаточно прост. Под землю закачивается вода через специальную скважину, называемую входной или нагнетающей (по-английски injection, то есть "впрыск"). Для того чтобы определить подходящую глубину, требуется геологическое исследование. Вблизи нагретых магмой слоев, в конечном счете, должен образоваться подземный проточный бассейн, играющий роль теплообменника. Вода сильно нагревается и превращается в пар, который через другую скважину, (рабочую или эксплуатационную) подается на лопасти турбины, сопряженной с осью генератора. На первый взгляд, все выглядит очень просто, но на практике геотермальные электростанции устроены куда сложнее и имеют различные особенности конструкции, обусловленные эксплуатационными проблемами.

Достоинства геотермальной энергетики

Этот способ получения энергии имеет неоспоримые плюсы. Во-первых, геотермальные электростанции не требуют топлива, запасы которого лимитированы. Во-вторых, эксплуатационные расходы сведены к издержкам на технически регламентированные работы по плановой замене комплектующих изделий и обслуживанию технологического процесса. Срок окупаемости вложений составляет несколько лет. В-третьих, такие станции условно можно считать экологически чистыми. Есть, правда, в этом пункте и острые моменты, но о них позже. В-четвертых, дополнительной энергии для технологических нужд не требуется, насосы и другие приемники энергии запитываются от добываемых ресурсов. В-пятых, установка, помимо работы по прямому назначению, может производить опреснение воды Мирового океана, на берегу которого обычно строятся геотермальные электростанции. Плюсы и минусы присутствуют, однако, и в этом случае.

Недостатки

На фотографиях все выглядит просто чудесно. Корпуса и установки эстетичны, над ними не поднимаются клубы черного дыма, только белый пар. Однако не все так прекрасно, как кажется. Если геотермальные электростанции расположены поблизости населенных пунктов, жителям окрестностей досаждает производимый предприятиями шум. Но это лишь видимая (вернее, слышимая) часть проблемы. При бурении глубоких скважин никогда нельзя предвидеть, что именно из них пойдет. Это может быть токсичный газ, минеральные воды (не всегда лечебные) или даже нефть. Разумеется, если геологи наткнутся на пласт полезных ископаемых, то это даже хорошо, но такое открытие вполне может полностью изменить привычный уклад жизни местных жителей, поэтому разрешение на проведение даже исследовательских работ региональные власти дают крайне неохотно. Вообще выбрать место для ГТЭС довольно сложно, ведь в результате ее эксплуатации вполне может возникнуть провал грунта. Условия внутри земной коры меняются, и если источник тепла утратит со временем свой тепловой потенциал, затраты на строительство окажутся напрасными.

Как выбрать место

Несмотря на многочисленные риски, в разных странах строят геотермальные электростанции. Преимущества и недостатки есть у любого способа получения энергии. Вопрос состоит в том, насколько доступны иные ресурсы. В конце концов, энергетическая независимость является одной из основ государственного суверенитета. Страна может не обладать запасами полезных ископаемых, но иметь множество вулканов, как Исландия, например.

Следует учитывать, что наличие геологически активных зон - непременное условие для развития геотермальной отрасли энергетики. Но при принятии решения о строительстве подобного объекта необходимо брать в расчет и вопросы безопасности, поэтому, как правило, в густонаселенных районах геотермальные электростанции не возводят.

Следующий важный момент - наличие условий для охлаждения рабочей жидкости (воды). В качестве места для ГТЭС вполне подойдет океанское или морское побережье.

Камчатка

Россия богата всеми видами природных ресурсов, но это не означает, что в бережном отношении к ним нет нужды. Геотермальные электростанции в России строят, причем в последние десятилетия все более активно. Они частично обеспечивают потребность энергообеспечения отдаленных районов Камчатки и Курил. Помимо уже упомянутой Паужетской ГТЭС, на Камчатке в эксплуатацию введена 12-мегаваттная Верхне-Мутновская ГТЭС (1999). Намного мощней ее Мутновская геотермальная электростанция (80 МВт), расположенная возле того же вулкана. Вместе они обеспечивают более трети объема энергии, потребляемой регионом.

Курилы

Сахалинская область также пригодна для строительства геотермальных энергопроизводящих предприятий. Здесь их два: Менделеевская и Океанская ГТЭС.

Менделеевская ГТЭС предназначена для решения проблемы энергоснабжения острова Кунашир, на котором расположен поселок городского типа Южно-Курильск. Название свое станция получила не в честь великого русского химика: так называется островной вулкан. Строительство началось в 1993-м, через девять лет предприятие введено в строй. Первоначально мощность составляла 1,8 МВт, но после модернизации и запуска следующих двух очередей достигла пяти.

На Курилах, на острове Итуруп, в том же 1993 году была заложена еще одна ГТЭС, получившая название «Океанская». Заработала она в 2006-м, через год вышла на проектную мощность в 2,5 МВт.

Мировой опыт

Русские ученые и инженеры стали пионерами во многих отраслях прикладной науки, но геотермальные электростанции изобрели все же за рубежом. Первая в мире ГТЭС (250 кВт) была итальянской, начала свою работу в 1904 году, ее турбина вращалась паром, выходящим из природного источника. До этого подобные явления использовались только в лечебно-курортных целях.

В настоящее время позиции России в области использования геотермального тепла также нельзя назвать передовыми: ничтожный процент вырабатываемого в стране электричества приходится на пять станций. Самое большое значение эти альтернативные источники имеют для экономики Филиппин: на них приходится один киловатт из каждых пяти, производимых в республике. Продвинулись вперед и другие страны, в числе которых Мексика, Индонезия и США.

На просторах СНГ

На уровень развития геотермальной энергетики влияет в большей степени не технологическая «продвинутость» той или иной страны, а осознание ее руководством насущной необходимости в альтернативных источниках. Есть, конечно, и «ноу-хау», касающиеся способов борьбы с накипью в теплообменниках, способов управления генераторами и прочей электрической частью системы, но вся эта методология специалистам давно известна. Большую заинтересованность в строительстве ГеоТЭС в последние годы проявляют многие постсоветские республики. В Таджикистане изучают районы, являющие собой геотермальное богатство страны, идет строительство 25-мегаваттной станции «Джермахпюр» в Армении (Сюникская область), соответствующие исследования ведутся в Казахстане. Горячие источники Брестской области стали предметом интереса белорусских геологов: они начали пробные бурения двухкилометровой скважины Вычулковская. В общем, за геоэнергетикой, скорее всего, есть будущее.

Впрочем, и с теплом Земли обращаться нужно бережно. Ограничен и этот природный ресурс.

С каждым годом добыча углеводородного топлива усложняется все больше: «верховые» запасы практически истощены, а для бурения глубоких скважин требуются не только новые технологии, но и значительные финансовые вложения. Соответственно дорожает и электричество, ведь оно в основном получается за счет переработки углеводородного топлива.

Кроме того, проблема охраны окружающей среды от негативного воздействия промышленности приобретает все большее значение. И уже очевидно: сохраняя традиционные методы получения энергии (с помощью углеводородного топлива) человечество движется к энергетическому кризису в сочетании с экологической катастрофой.

Именно поэтому такое значение приобретают технологии, позволяющие получать тепло и электричество из возобновляемых источников. К таким технологиям относится и геотермальная энергетика, которая позволяет получать электрическую и/или тепловую энергию, используя тепло, содержащееся в земных недрах.

Какими бывают геотермальные источники энергии

Чем глубже в землю – тем теплее. Это аксиома, известная каждому. Земные недра содержат океаны тепла, которым человек может воспользоваться, не нарушая экологию окружающей среды. Современные технологии позволяют эффективно использовать геотермальную энергию либо напрямую (тепловая энергия), либо с преобразованием в электрическую (геотермальная электростанция).

Геотермальные источники энергии подразделяются на два вида: петротермальные и гидротермальные. Петротермальная энергетика основана на использовании разницы температур грунта на поверхности и в глубине, а гидротермальная использует повышенную температуру грунтовых вод.

Сухие высокотемпературные породы распространены более, чем горячие водные источники, но их эксплуатация с целью получения энергии связана с определенными сложностями: в породы необходимо закачивать воду, а затем отбирать тепло у перегретой в высокотемпературных породах воды. Гидротермальные источники сразу «поставляют» перегретую воду, у которой можно взять тепло.

Еще один вариант получения термальной энергии – отбор низкотемпературного тепла на небольших глубинах (тепловые насосы). Принцип работы теплового насоса такой же, как и промышленных установок, работающих в термальных зонах, разница лишь в том, что в качестве теплоносителя в этом виде оборудования используется специальный хладо-агент с низкой температурой кипения, что и позволяет получать тепловую энергию, перераспределяя низкотемпературное тепло.

С помощью тепловых насосов можно получать энергию для отопления небольших домов, коттеджей. Такие устройства практически не используются для промышленного получения тепловой энергии (относительно невысокие температуры препятствуют промышленному использованию), однако, хорошо зарекомендовали себя при организации автономного энергоснабжения частных домов, особенно в местах, где установка линий электропередач затруднительна. При этом для эффективной работы теплового насоса достаточно температуры грунта или грунтовых вод (в зависимости от вида используемого оборудования) около +8°С, то есть, достаточно небольшой глубины для устройства внешнего контура (глубина редко превышает 4 м).

Вид получаемой из геотермального источника энергии зависит от его температуры: из низко- и средне-температурных источников тепло используется в основном для обеспечения горячего водоснабжения (в том числе и для теплоснабжения), а тепло из высоко-температурных источников используется для получения электроэнергии. Также возможно использование тепла высоко-температурных источников для одновременного получения электроэнергии и горячего водоснабжения. Геотермальные электростанции в основном используют гидротермальные источники – температура воды в термальных зонах может значительно превышать точку кипения воды (в некоторых случаях перегрев достигает 400°С – за счет повышенного давления в глубинах), что делает выработку электроэнергии очень эффективной.

Плюсы и минусы геотермальной энергетики

Геотермальные источники энергии представляют огромный интерес в первую очередь из-за того, что являются возобновляемыми ресурсами, то есть, практически неиссякаемыми. А вот углеводородное топливо, которое в настоящее время является основным источником для получения различных видов энергии, является ресурсом не возобновляемым, и по прогнозам весьма даже ограниченным. К тому же, получение геотермальной энергии гораздо более экологично, чем традиционные методы на основе углеводородного топлива.

Если сравнивать геотермальную энергетику с другими альтернативными видами получения энергии, то и здесь имеются преимущества. Так, геотермальная энергия не зависит от внешних условий, на нее не оказывает влияние температура окружающей среды, время суток, время года и так далее. В то же время ветро-, гелио- и гидроэнергетика, так же, как и геотермальная энергетика работающие с возобновляемыми и неиссякаемыми источниками энергии, очень зависимы от окружающей среды. Например, эффективность гелио-станций находится в прямой зависимости от уровня инсоляции на местности, который зависит не только от широты, но и от времени суток и времени года, причем, разница весьма и весьма существенная. То же и с остальными видами альтернативной энергетики. А вот эффективность геотермальной электростанции зависит исключительно от температуры термального источника и остается неизменной, независимо от времени года и погоды за окном.

К плюсам относится и высокий КПД геотермальных станций. Например, при использовании геотермальной энергии для получения тепла, КПД превышает 1.

Одним из основных минусов при получении энергии из гидротермальных источников является необходимость закачки отработанной (охлажденной) воды в подземные горизонты, что снижает эффективность геотермальной электростанции и увеличивает эксплуатационные расходы. Сброс этой воды в приповерхностные и поверхностные воды исключен, так как в ней содержится большое количество токсичных веществ.

Также к недостаткам можно отнести ограниченное количество пригодных к эксплуатации термальных зон. С точки зрения получения недорогой энергии, особенно интересны гидротермальные месторождения, в которых перегретая вода и/или пар находятся достаточно близко к поверхности (глубинное бурение скважин для достижения термальной зоны значительно повышает эксплуатационные расходы и удорожает получаемую энергию). Таких месторождений не так и много. Тем не менее, постоянно ведется активная разведка новых месторождений, открываются новые термальные зоны, и количество энергии, получаемой из геотермальных источников, постоянно увеличивается. В некоторых странах гидротермальная энергетика составляет до 30% всей энергетики (к примеру, Филиппины, Исландия). В России также имеется ряд эксплуатируемых термальных зон, и их количество возрастает.

Перспективы геотермальной энергетики

Ожидать, что промышленная геотермальная энергетика сможет заменить традиционные в настоящий момент источники получения энергии сложно – хотя бы из-за ограниченности термальных зон, сложностей глубинного бурения и так далее. Тем более, что имеются другие альтернативные виды энергии, доступные в любой точке земного шара. Однако, геотермальная энергетика занимает и будет занимать существенное место в способах получения энергии различного вида (электрической и/или тепловой).

При этом, перспектив у геотермальной энергетики, основанной на перераспределении тепла из низкотемпературных источников, гораздо больше. Этот вид геотермальной энергетики не требует наличия термальных зон с перегретой водой, паром или сухой породой. Тепловые насосы все больше входят в моду и активно устанавливаются при строительстве современных коттеджей и так называемых «активных» домов (домов с автономными источниками энергоснабжения). Судя по имеющимся тенденциям, геотермальная энергетика продолжит активное развитие в «малых» формах – для автономного энергоснабжения отдельных домов или хозяйств, наряду с ветро- и гелиоэнергетикой.

София Варган

Среди альтернативных источников геотермальная энергия занимает значительное место - ее так или иначе используют примерно в 80 странах по всему миру. В большинстве случаев это происходит на уровне строительства теплиц, бассейнов, применения в качестве лечебного средства или отопления.

В нескольких странах - в том числе США, Исландии, Италии, Японии и других - построены и работают электростанции.

Геотермальная энергия в целом подразделяется на две разновидности - петротермальную и гидротермальную. Первый тип использует как источник горячие горные породы. Второй - подземные воды.

Если свести все данные по теме в одну диаграмму, обнаружится, что в 99% случаев используется тепло пород, и только в 1% геотермальная энергия извлекается из подземных вод.

Петротермальная энергетика

На настоящий момент в мире достаточно широко используется тепло земных недр, причем преимущественно это энергия неглубоких скважин - до 1 км. С целью обеспечения электричеством, теплом или ГВС устанавливаются скважинные теплообменники, работающие на жидкостях с низкой температурой кипения (например, на фреоне).

Сейчас использование скважинного теплообменника является наиболее рациональным способом добычи тепла. Выглядит это так: теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре. Нагретый поднимается по концентрично опущенной трубе, отдавая свое тепло, после чего, охлажденный, при помощи насоса подается в обсадную.

В основе использования энергии земных недр лежит природное явление - по мере приближения к ядру Земли растет температура земной коры и мантии. На уровне 2-3 км от поверхности планеты она достигает более 100 °С, в среднем увеличиваясь с каждым последующим километром на 20 °С. На глубине 100 км температура достигает уже 1300-1500 ºС.

Гидротермальная энергетика

Вода, циркулирующая на больших глубинах, нагревается до значительных величин. В сейсмически активных районах она поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, в спокойных же регионах ее можно вывести с помощью скважин.

Принцип действия тот же: нагретая вода поднимается по скважине вверх, отдает тепло, и возвращается по второй трубе вниз. Цикл практически бесконечен и возобновляем до тех пор, пока в земных недрах остается тепло.

В некоторых сейсмически активных регионах горячие воды лежат так близко к поверхности, что можно воочию наблюдать, как работает геотермальная энергия. Фото окрестностей вулкана Крафла (Исландия) демонстрирует гейзеры, которые передают пар для действующей там ГеоТЭС.

Основные черты геотермальной энергетики

Внимание к альтернативным источникам обусловлено тем, что запасы нефти и газа на планете не бесконечны, и постепенно исчерпываются. Кроме того, они есть не везде, и многие страны зависят от поставок из других регионов. Среди иных важных факторов - негативное влияние ядерной и топливной энергетики на среду обитания человека и дикую природу.

Большое достоинство ГЭ - возобновляемость и универсальность: возможность использовать для водо- и теплоснабжения, или для выработки электроэнергии, или для всех трех целей сразу.

Но главное - это геотермальная энергия, плюсы и минусы которой зависят не столько от местности, сколько от кошелька заказчика.

Достоинства и недостатки ГЭ

В числе преимуществ этого вида энергии следующие:

она возобновляемая и практически неиссякаемая;
независима от времени суток, сезона, погоды;
универсальна - с ее помощью можно обеспечить водо- и теплоснабжение, а также электричество;
геотермальные источники энергии не загрязняют окружающую среду;
не вызывают парникового эффекта ;
станции не занимают много места.

Однако имеются и недостатки:

геотермальная энергия не считается полностью безвредной из-за выбросов пара, в составе которого могут быть сероводород, радон и другие вредные примеси;
при использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования - из-за химического состава такую воду нужно сливать либо обратно в глубокие слои, либо в океан;
постройка станции относительно дорога - это удорожает и стоимость энергии в итоге.

Сферы применения

На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, аква- и термокультуре, промышленности, сфере жилищно-коммунальных хозяйств. В нескольких странах построены крупные комплексы, обеспечивающие население электроэнергией. Продолжается разработка новых систем.

Сельское хозяйство и садоводство

Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу оранжерей, теплиц, установок аква- и гидрокультуры. Подобный подход применяется в нескольких государствах - Кении, Израиле, Мексике, Греции, Гватемале и Теде.

Подземные источники применяются для полива полей, обогрева почвы, поддержания постоянной температуры и влажности в оранжерее или теплице.

Промышленность и ЖКХ

В ноябре 2014 года в Кении начала работать крупнейшая на то время геотермальная электростанция мира. Вторая по размерам находится в Исландии - это Хеллишейди, берущая тепло от источников возле вулкана Хенгидль.

Другие страны, использующие геотермальную энергию в промышленных масштабах: США, Филиппины, Россия, Япония, Коста-Рика, Турция, Новая Зеландия и т. д.

Известны четыре основные схемы добывания энергии на ГеоТЭС:

прямая, когда пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами;
непрямая, аналогичная предыдущей во всем, за исключением того, что перед попаданием в трубы пар очищается от газов;
бинарная - в качестве рабочего тепла используется не вода или пар, а другая жидкость, имеющая низкую температуру кипения;
смешанная - аналогична прямой, но после конденсации здесь удаляют из воды не растворившиеся газы.

В 2009 году группа исследователей, искавшая пригодные к использованию геотермальные ресурсы, достигла расплавленной магмы всего на глубине 2,1 км. Подобное попадание в магму - большая редкость, это всего второй известный случай (предыдущий произошел на Гавайях в 2007 году).

Хотя соединенная с магмой труба ни разу не подключалась к находящейся неподалеку ГеоТЭС Крафла, ученые получили весьма многообещающие результаты. До сих пор все работающие станции брали тепло опосредованно, из земных пород либо из подземных вод.

Частный сектор

Одна из наиболее перспективных сфер - частный сектор, для которого геотермальная энергия - это реальная альтернатива автономного газового отопления. Самая серьезная преграда здесь - при довольно дешевой эксплуатации высокая начальная стоимость оборудования, которая значительно выше, чем цена установки «традиционного» отопления.

Свои разработки для частного сектора предлагают компании MuoviTech, Geodynamics Ltd, Vaillant, Viessmann, Nibe.

Страны, использующие тепло планеты

Безусловным лидером в использовании георесурсов является США - в 2012 году выработка энергии в этой стране достигла отметки 16.792 миллиона мегаватт-часов. В том же году, суммарная мощность всех геотермальных станций на территории Штатов достигала 3386 МВт.

ГеоТЭС на территории США расположены в штатах Калифорния, Невада, Юта, Гавайи, Орегон, Айдахо, Нью-Мехико, Аляска и Вайоминг. Самая крупная группа заводов носит название «Гейзеры» и расположена неподалеку от Сан-Франциско.

Кроме Соединенных Штатов, в первой десятке лидеров (по состоянию на 2013 год) также находятся Филиппины, Индонезия, Италия, Новая Зеландия, Мексика, Исландия, Япония, Кения и Турция. При этом в Исландии геотермальные источники энергии обеспечивают 30% от всей потребности страны, на Филиппинах - 27%, а в США - меньше 1%.

Потенциальные ресурсы

Работающие станции - только начало, отрасль лишь начинает развиваться. Исследования в этом направлении идут постоянно: более чем в 70 странах ведется разведка потенциальных месторождений, в 60 освоено промышленное использование ГЭ.

Перспективными выглядят сейсмически активные районы (как это видно на примере Исландии) - штат Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, страны Центральной Америки, Филиппины, Исландия, Коста-Рика, Турция, Кения. Эти страны имеют потенциально выгодные не исследованные месторождения.

В России это Ставропольский край и Дагестан, остров Сахалин и Курильские о-ва, Камчатка. В Беларуси определенный потенциал есть на юге страны, охватывая города Светлогорск, Гомель, Речица, Калинковичи и Октябрьский.

На Украине перспективными являются Закарпатская, Николаевская, Одесская и Херсонская области.

Достаточно перспективным является полуостров Крым, тем более что большая часть потребляемой им энергии импортируется извне.