Открыть главное меню

Геотермальная энергетика

Несьявеллир ГеоТЭС, Исландия

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на использовании тепловой энергии недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, или непосредственно, для отопления или горячего водоснабжения. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

Запасы тепла Земли практически неисчерпаемы — при остывании ядра на 1 °C выделится 2*1020 кВт⋅ч энергии, что в 10000 раз больше, чем содержится во всем разведанном ископаемом топливе, и в миллионы раз больше годового энергопотребления человечества. При этом температура ядра превышает 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за миллиард лет.

Тепловой поток, текущий из недр Земли через её поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт⋅ч в год, что в 17 раз больше всей мировой выработки, и эквивалентно сжиганию 46 млрд тонн угля), а тепловая мощность, вырабатываемая Землей за счет радиоактивного распада урана, тория и калия-40 оценивается в 33±2028 ТВт, т.е. до 70% теплопотерь Земли восполняется[1]. Использование даже 1% этой мощности эквивалентно нескольким сотням мощных электростанций. Однако, плотность теплового потока при этом составляет менее 0,1 Вт/м2 (в тысячи и десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения), что затрудняет её использование.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее +100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.

Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении и Таджикистане.

Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика. Ниже описана гидротермальная энергетика[2].

КлассификацияПравить

По способу извлечения теплоносителя:[3]

  • Традиционные
    • Фонтанные — когда имеет место самоизлив геотермального теплоносителя за счёт давления в недрах земли.
    • Насосные — используются, когда давление недостаточно для фонтанирования.
  • Геоциркуляционные — охлаждённый геотермальный теплоноситель закачивается обратно под землю.

По типу используемых ресурсов:[4]

  • Гидротермальные — использующие теплоту геотермальных вод естественного происхождения.
  • Петротермальные — использующие теплоту сухих горных пород.

РесурсыПравить

Перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны планеты в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд.

Россия
На 2006 год в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тысяч м³/сутки. На двадцати месторождениях ведётся промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Черкесское и Казьминское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).

Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России.

Достоинства и недостаткиПравить

ДостоинстваПравить

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Коэффициент использования установленной мощности ГеоТЭС может достигать 80%, что недостижимо для любой другой альтернативной энергетики.

НедостаткиПравить

Экономическая обоснованность скважинПравить

Для того, чтобы преобразовать тепловую энергию в электрическую с помощью какой-нибудь тепловой машины (например, паровой турбины), необходимо, чтобы температура геотермальных вод была достаточно велика, иначе КПД тепловой машины будет слишком низким (например, при температуре воды 40°C и температуре окружающей среды 20°C КПД идеальной тепловой машины составит всего 6%, а КПД реальных машин ещё ниже, кроме того, часть энергии будет потрачена на собственные нужды станции — например, на работу насосов, которые выкачивают теплоноситель из скважины и закачивают отработанный теплоноситель обратно). Для генерации электроэнергии целесообразно использовать геотермальную воду температурой от 150°C и выше. Даже для отопления и горячего водоснабжения требуется температура не ниже 50°C. Однако, температура Земли растет с глубиной довольно медленно, обычно геотермический градиент составляет всего 30°C на 1 км, т.е. даже для горячего водоснабжения потребуется скважина глубиной более километра, а для генерации электроэнергии — несколько километров. Бурение таких глубоких скважин обходится дорого, кроме того, на перекачку теплоносителя по ним тоже требуется затратить энергию, поэтому использование геотермальной энергии далеко не везде целесообразно. Практически все крупные ГеоЭС расположены в местах повышенного вулканизма — Камчатка, Исландия, Филиппины, Кения, поля гейзеров[en] в Калифорнии и т.д, где геотермический градиент гораздо выше, а геотермальные воды находятся близко к поверхности.

Экология теплоносителяПравить

Одна из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт, на что требуется расход энергии. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, свинца, цинка, кадмия) , неметаллов (например, бора, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Закачка отработанной воды необходима еще и для того, чтобы давление в водоносном пласте не упало, что приведет к уменьшению выработки геотермальной станции или её полной неработоспособности.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.

Провоцирование землетрясенийПравить

 
Пхоханское землетрясение 2017 года

Экономическая обоснованность бурения и инфраструктуры скважин заставляет выбирать места с большим геотермическим градиентом.[5] Такие места обычно находятся в сейсмически активных зонах.[5] Кроме того, при постройке ГЦС-станции проводится гидравлическое стимулирование пород, позволяющее за счёт дополнительных трещин увеличить теплообмен теплоносителя с породами. Однако, по результатам исследования пхоханского землетрясения 2017 года (кор., англ.), оказалось, что даже регулирования с помощью измерений с дополнительных сейсмографических станций не достаточно для исключения индуцированных землетрясений.[6] Спровоцированое[6] эксплуатацией геотермальной станции, пхоханское землетрясение произошло 15 ноября 2017 года, магнитуда составила 5,4 единицы[7], пострадали 135 человек и 1700 остались без крова.[5]

Геотермальная электроэнергетика в миреПравить

Потенциальная суммарная рабочая мощность геотермальных электростанций в мире уступает большинству станций на иных возобновляемых источниках энергии. Однако направление получило развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных заселённых географических районах, где отсутствуют или относительно дороги горючие полезные ископаемые, а также благодаря правительственным программам.

Установленная мощность геотермальных электростанций в мире на начало 1990-х годов составляла около 5 ГВт, на начало 2000-х годов — около 6 ГВт. В конце 2008 года суммарная мощность геотермальных электростанций планеты выросла до 10,5 ГВт[8].

Установленная мощность геотермальных электростанций по странам
Страна Мощность в 2007 г., МВт[9] Мощность в 2010 г., МВт[10] Доля в 2010 г. [источник не указан 2998 дней]
США 2687 3086 0,3 %
Филиппины 1969,7 1904 27 %
Индонезия 992 1197 3,7 %
Мексика 953 958 3 %
Италия 810,5 843
Новая Зеландия 471,6 628 10 %
Исландия 421,2 575 30 %
Япония 535,2 536 0,1 %
Сальвадор 204,2 204 14 %
Кения 128,8 167 11,2 %
Коста-Рика 162,5 166 14 %
Никарагуа 87,4 88 10 %
Россия 79 82 0,05 %
Турция 38 82
Папуа-Новая Гвинея 56 56
Гватемала 53 52
Португалия 23 29
КНР 27,8 24
Франция 14,7 16
Эфиопия 7,3 7,3
Германия 8,4 6,6
Австрия 1,1 1,4
Австралия 0,2 1,1
Таиланд 0,3 0,3
Всего 9731,9 10709,7

СШАПравить

Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, которые в 2005 году произвели около 16 млрд кВт·ч возобновляемой электроэнергии. В 2009 году суммарные мощности 77 геотермальных электростанций в США составляли 3086 МВт[11]. До 2013 года планируется строительство более 4400 МВт.

Наиболее мощная и известная группа геотермальных электростанций находится на границе округов Сонома и Лейк в 116 км к северу от Сан-Франциско. Она носит название «Гейзерс»(«Geysers») и состоит из 22 геотермальных электростанций с общей установленной мощностью 1517 МВт[12]. «На „Гейзерс“ сейчас приходится одна четвёртая часть всей произведенной в Калифорнии альтернативной [не гидро-] энергии»[13]. К другим основным промышленным зонам относятся: северная часть Солёного моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности) и геотермальные электростанции в Неваде, чья установленная мощность достигает 235 МВт.

Американские компании являются мировыми лидерами в этом секторе, несмотря на то, что геотермальная энергетика начала активно развиваться в стране сравнительно недавно. По данным Министерства Торговли, геотермальная энергия является одним из немногих возобновляемых источников энергии, чей экспорт из США больше, чем импорт. Кроме того, экспортируются также и технологии. 60 %[14] компаний-членов Geothermal Energy Association в настоящее время стремятся делать бизнес не только на территории США, но и за её пределами (в Турции, Кении, Никарагуа, Новой Зеландии, Индонезии, Японии и прочее).

Геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии в стране, имеет особую правительственную поддержку.

ФилиппиныПравить

На 2003 год 1930 МВт электрической мощности установлено на Филиппинских островах, в Филиппинах парогидротермы обеспечивают производство около 27 % всей электроэнергии в стране.

МексикаПравить

Страна на 2003 год находилась на третьем месте по выработке геотермальной энергии в мире, с установленной мощностью электростанций в 953 МВт. На важнейшей геотермальной зоне Серро Прието расположились станции общей мощностью в 750 МВт.

ИталияПравить

В Италии на 2003 год действовали энергоустановки общей мощностью в 790 МВт.

ИсландияПравить

В Исландии действуют пять теплофикационных геотермальных электростанций общей электрической мощностью 570 МВт (2008), которые производят 25 % всей электроэнергии в стране.

Одна из таких станций снабжает столицу Рейкьявик. Станция использует подземную воду, а излишки воды сливают в гигантский бассейн.

КенияПравить

В Кении на 2005 год действовали три геотермальные электростанции общей электрической мощностью в 160 МВт, существуют планы по росту мощностей до 576 МВт. На сегодняшний день в Кении находится самая мощная ГеоЭС в мире, Олкария IV.

РоссияПравить

Впервые в мире неводяные пары как тепловой носитель применены на Паратунской ГеоТЭС в 1967 году.[15]

Сегодня на Камчатке 40 % потребляемой энергии вырабатывается на геотермальных источниках[16].
По данным института вулканологии Дальневосточного Отделения РАН, геотермальные ресурсы Камчатки оцениваются в 5000 МВт.[17] Российский потенциал реализован только в размере немногим более 80 МВт установленной мощности (2009) и около 450 млн. кВт·ч годовой выработки (2009):

  • Мутновское месторождение:
    • Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт·э (2011) и выработкой 69,5 млн кВт·ч/год (2010) (81,4 в 2004),
    • Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 50 МВт·э (2011) и выработкой 360,5 млн кВт·ч/год (2010) (на 2006 год ведётся строительство, увеличивающее мощность до 80 МВт·э и выработку до 577 млн кВт·ч)
  • Паужетское месторождение возле вулканов Кошелева и Камбального — Паужетская ГеоТЭС мощностью 14,5 МВт·э (2011) и выработкой 43,1 млн кВт·ч (на 2010 год проводится реконструкция с увеличением мощности до 18 МВт·э).
  • Месторождение на острове Итуруп (Курилы): Океанская ГеоТЭС установленной мощностью 2,5 МВт·э (2009). Существует проект мощностью 34,5 МВт и годовой выработкой 107 млн кВт·ч.
  • Кунаширское месторождение (Курилы): Менделеевская ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт·э (2009).

В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато и приостановлено строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт.

В Краснодарском крае эксплуатируется 12 геотермальных месторождений.[18]

ЯпонияПравить

В Японии насчитывается 20 геотермальных электростанций, однако геотермальная энергетика играет незначительную роль в энергетическом секторе страны: в 2013 году этим методом производилось 2596 ГВт/ч электроэнергии, что составляет около 0,25% от общего объёма электроснабжения страны

Классификация геотермальных вод[19]Править

По температуреПравить

Слаботермальные до +40 °C
Термальные от +40 до +60 °C
Высокотермальные от +60 до +100 °C
Перегретые более +100 °C

По минерализации (сухой остаток)Править

ультрапресные до 0,1 г/л
пресные 0,1—1,0 г/л
слабосолоноватые 1,0—3,0 г/л
сильносолоноватые 3,0—10,0 г/л
солёные 10,0—35,0 г/л
рассольные более 35,0 г/л

По общей жёсткостиПравить

очень мягкие до 1,2 мг-экв/л
мягкие 1,2—2,8 мг-экв/л
средние 2,8—5,7 мг-экв/л
жёсткие 5,7—11,7 мг-экв/л
очень жёсткие более 11,7 мг-экв/л

По кислотности, рНПравить

сильнокислые до 3,5
кислые 3,5—5,5
слабокислые 5,5—6,8
нейтральные 6,8—7,2
слабощелочные 7,2—8,5
щелочные более 8,5

По газовому составуПравить

сероводородные
сероводородно-углекислые
углекислые
азотно-углекислые
метановые
азотно-метановые
азотные

По газонасыщенностиПравить

слабая до 100 мг/л
средняя 100—1000 мг/л
высокая более 1000 мг/л

Петротермальная энергетикаПравить

Данный тип энергетики связан с глубинными температурами Земли, которые с определённого уровня начинают подниматься. Средняя скорость её повышения с глубиной — около 2,5 °С на каждые 100 м. На глубине 5 км температура составляет примерно 125 °С, а на 10 км около 250 °С. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара. Проблема данной энергетики на сегодня — её рентабельность.[2]

См. такжеПравить

ПримечанияПравить

  1. Капитинов И. М. Ядерное тепло Земли // Учебное пособие "Радиоактивность атомных ядер" под ред. Б.С. Ишханова. — КДУ, Университетская книга, Москва, 2017. — С. 48–56.
  2. 1 2 Кирилл Дегтярёв. Петротермальная энергетика — старт в России (недоступная ссылка). Русское географическое общество (24 октября 2011). Дата обращения 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
  3. Алхасов, 2016, с. 18, 98.
  4. Алхасов, 2016, с. 16—17.
  5. 1 2 3 Пхоханское землетрясение 2017 года заставило пересмотреть подходы к оценке рисков геотермальной энергетики
  6. 1 2 Summary Report of the Korean Government Commission on Relations between the 2017 Pohang Earthquake and EGS Project  (кор.)
  7. Землетрясение 2017 года в Корее обусловлено работой геотермальной электростанции. Хабрахабр (30.04.2018). Дата обращения 3 сентября 2019.
  8. Geothermal Development Expands Globally
  9. Bertani, Ruggero (September 2007), "World Geothermal Generation in 2007", Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology) . — Т. 28 (3): 8–19, ISSN 0276-1084, <http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull28-3/art3.pdf>. Проверено 12 апреля 2009. 
  10. Holm, Alison (May 2010), Geothermal Energy:International Market Update, Geothermal Energy Association, с. 7, <http://www.geo-energy.org/pdf/reports/GEA_International_Market_Report_Final_May_2010.pdf>. Проверено 24 мая 2010. 
  11. Geothermal Projects Being Developed in 70 Countries 25 Май 2010 г.
  12. The Geysers Geothermal Field, California, United States of America//www.power-technology.com — http://www.power-technology.com/projects/the-geysers-geothermal-california
  13. Calpine and the Environment//www.geysers.com — http://www.geysers.com/environment.htm Архивная копия от 5 июля 2012 на Wayback Machine
  14. Charles W. Thurston. Accelerating Geothermal Growth Through DOE Initiatives//Renewable Energy World North America, May, 2010//www.renewableenergyworld.com — http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/01/accelerating-geothermal-growth-through-doe-initiatives
  15. Л. А. Огуречников. Геотермальные ресурсы в энергетике. №11 (31). Альтернативная энергетика и экология (2005). Дата обращения 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
  16. Пока не закончится нефть // июнь 2016
  17. Геотермальная энергетика. журнал «Энергосвет». Дата обращения 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
  18. В. А. Бутузов, Г. В. Томаров, В. Х. Шетов. Геотермальная система теплоснабжения с использованием солнечной энергии и тепловых насосов. журнал «Энергосбережение» (№3 2008). Дата обращения 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
  19. ВСН 56-87 «Геотермальное теплохладоснабжение жилых и общественных зданий и сооружений»

ЛитератураПравить

  • Дегтярев К. Тепло земли // Наука и жизнь. — 2013. — № 9-10.
  • Дворов И. М. Глубинное тепло Земли / Отв. ред. д.г.-м.н. А. В. Щербаков. — М.: Наука, 1972. — 208 с. — (Настоящее и будущее человечества). — 15 000 экз.
  • Берман Э., Маврицкий Б. Ф. Геотермальная энергия. М.: Мир, 1978. 416 с.
  • Севастопольский А. Е. Геотермальная энергия: Ресурсы, разработка, использование : Пер. с англ. М.: Мир, 1975.
  • Баева А. Г., Москвичёва В. Н. Геотермальная энергия: проблемы, ресурсы, использование. Библиографический указатель. Издательство СО АН СССР, Институт теплофизики, 1979
  • Алхасов А.Б. Возобновляемые источники энергии. — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. — ISBN 978-5-383-00960-4.

СсылкиПравить