Геотермальная энергетика

По мере истощения ископаемых топлив – ограниченных в запасах природных ресурсов, сжигание которых наносит огромный вред окружающей среде, на повестку дня энергетического будущего нашей цивилизации всё больше выходит альтернативная энергетика. Как правило, она использует энергию Солнца или энергию, возникающую вследствие его воздействия на Землю. И это происходит в то время, когда внутри нашей планеты претерпевает преобразования  геотермальная энергия – тепловая энергия земных недр, чьи запасы ещё только предстоит поставить на службу человечеству с помощью средств геотермальной энергетики.

Как люди используют тепловую энергию недр Земли

Вопрос: как люди сегодня используют тепловую энергию недр Земли? Прежде чем на него ответить, надо понять: откуда она – внутренняя тепловая энергия планеты появляется, что представляет собой с позиций практического использования и сделать небольшой экскурс в историю.

Итак, геотермальная энергия нашей планеты – это постоянно присутствующая в коре Земли тепловая энергия. Происходит это в результате осуществления ряда природных процессов: формирования планеты, сопровождающегося радиоактивными реакциями распада материалов и мантийной конвекцией (перемещением тепла из глубины к поверхности).

В результате чего появляются геотермальные источники – места накопления тепловой энергии, в виде пара, горячей воды, нагретых масс земной коры. Геотермальные источники тепловой энергии люди научились использовать ещё во времена палеолита, когда наши далёкие предки принимали «тёплые ванны» в местах разлива горячих термальных источников или грелись в скальных расщелинах.

Древняя китайская легенда сообщает нам о любви китайского императора Сюань Дзуна к своей наложнице Ян Гуйфей, чьим любимым местом времяпрепровождения были термальные источники Хуацинчи в окрестностях Сианя. Описываемые события имеют трёх тысячелетнюю историю.

В самом начале I тысячелетия завоевавшие Британию римляне воспользовались горячими источниками Аква-Сулис (сегодня это город Бат в английском графстве Сомерсет) для теплоснабжения бань общественного назначения и подогрева полов. С начала XV века во французской коммуне Шо-Эге функционирует старейшая в мире система геотермального централизованного теплоснабжения.

При посредстве гейзерного пара в 1827 году в итальянской коммуне Лардерелло (названной так в честь французского графа Франсуа де Лардереля опробовавшего первую в мире технологию сбора пара из природных геотермальных источников в 1817 году) было организовано получение борной кислоты из вулканической грязи.

На рубеже XIX-XX веков в Америке было смонтировано несколько систем централизованного геотермального теплоснабжения. Затем пар и горячую воду из гейзеров начали активно применять для обогрева теплиц и домов в Исландии и итальянской Тоскане. Что и привело к возникновению геотермальных электростанций.

Первая геотермальная электростанция

Своему практическому появлению геотермальная энергетика обязана ещё одной сиятельной особе – принцу Тревиньяно (город и коммуна в Италии) Пьеро Джинори Конти, впервые осуществившему 4 июля 1904 года испытания геотермального генератора.

В дальнейшем это привело к созданию в Лардерелло первой геотермальной электростанции в мире, что работает с 1911 года по настоящее время.

Работы по освоению нового вида энергии продолжались. Так в 1920-х возникли экспериментальные установки в японском городе Беппу и на гейзерах в штате Калифорния (США). Однако вторым промышленным объектом по освоению внутри земной тепловой энергии смогла стать лишь в 1958 году новозеландская электростанция Вайракей.

Двумя годами позднее американской компании «Pacific Gas and Electric» удалось создать геотермальную электростанцию – ГеоЭС мощностью в 11 МВт в Калифорнии, эксплуатирующую энергию гейзеров. В 1966 году появляется первая японская геотермальная станция «Мацукава», мощностью в 23,5 МВт.

Первая электростанция с бинарным циклом была создана в 1967 году в Советском Союзе, а станция двойного цикла заработала в 2006 году в Чина-Хот-Спрингсе на Аляске (США). Забегая вперёд, скажем, что схемы работы геотермальных электростанций – геоЭС или геоТЭС будут описаны в дальнейшем.

Преимущества геотермальной энергии

Достоинства геотермальной энергии:

• Во-первых, она практически неисчерпаема, так как постоянно возобновляется и при этом обладает гигантским потенциалом. Ежегодно наша планета выделяет из своих недр на поверхность порядка 400 тыс. ТВт тепловой энергии, что 17 раз превышает выработку всех действующих электростанций мира.
• Во-вторых, геотермальная энергия абсолютно независима от внешних факторов. Ей абсолютно не важно, какое сейчас время года и каковы погодные условия, что обеспечивает стабильность выработки энергии.
• В-третьих, ГеоТЭС не нуждается в поставках топлива (оно бывает необходимо только в момент её первоначального запуска).
• В-четвёртых, процесс эксплуатации не влечёт за собой значительных расходов. Средства нужны лишь на ремонт, профилактику и текущее техническое обслуживание.
• В-пятых, станция во время своей работы не загрязняет окружающую среду, так как вредности, поступающие из земных недр во время её работы, утилизируются.
• В-шестых, иногда имеется возможность опреснения морской воды, чтобы получать столь необходимую для хозяйственных нужд пресную воду.
• В-седьмых, само сооружение ГеоЭС не влечёт за собой значительного отвода земель и не нарушает эстетику местных ландшафтов.

Недостатки геотермальной энергии

Проблемы геотермальной энергии связаны, прежде всего, с поиском наиболее благоприятных мест, так температура внутренних слоёв планеты не везде достаточна для её целесообразного с экономической точки зрения использования. Бурение глубоких скважин, необходимость которых обусловлена повышением температуры в среднем на 30^° С при проходе на 1 км внутрь Земли, стоит весьма недёшево. А для устойчивой генерации требуется теплоноситель с температурой в 150^° С, для горячего водоснабжения и отопления – минимум 50^° С.

Другая проблема заключается в необходимости постоянного насыщения водоносного слоя водой, что влечёт за собой дополнительные расходы. Кроме того, высокий уровень минерализации извлекаемых вод требует организации улавливания токсичных минералов и неминуемо приводит к отложению солей, накипи и процессу коррозии в трубопроводах.

Ещё существует опасность возникновения землетрясений за счёт наведённой сейсмичности, а естественные изменения земной коры или извержения вулканов, или сейсмическая активность легко могут повлиять на работу станции.

При всём том ГеоТЭС не отличаются большой мощностью. Самый мощный комплекс The Geysers в Калифорнии (США), насчитывающий 22 станции и 350 скважин, способен реально вырабатывать лишь 955 МВт электрической энергии.

Классификация геотермальной энергии

Энергия тепла Земли не отличается однозначностью, тем более что пронизывает она всё тело нашей планеты, поверхность которой отнюдь не равномерна.

Типы используемых ресурсов

Вот почему практическое значение приобрели следующие геотермальные ресурсы:

• поверхностное тепло Земли, аккумулированное в толщах планеты на расстояниях в несколько сотен метров до её ядра;
• гидротермальные (подземные водные резервуары естественного происхождения) и парогидротермальные (места скопления пара или смеси водяного пара) ресурсы;
• петротермальные – ресурсы, образованные тепловой энергией сухих горных пород,
• магма.

Наибольшее распространение получило использование гидротермальных, парогидротермальных и петротермальных источников геотермальной энергии. Различают три вида источников:

• Водяные, когда в пластах горных пород находится масса воды с давлением, превышающим атмосферное давление.
• Пароводяные, когда меж двух пластов заключена вода. Нижний слой сообщает ей тепло, а верхний работает в качестве изолятора, не давая возможность воде просачиваться наружу. Здесь путём бурения скважины добывается горячая вода или пар.
• Паровые, то же что и пароводяные, где в качестве теплоносителя выступает исключительно пар.

Способы извлечения ресурсов

Современные геоЭС используют как традиционные способы извлечения геотермальных ресурсов, так и способ геоциркуляционный. К традиционным способам относятся фонтанный – поток воды и пара самопроизвольно извергается за счёт повышенного давления, насосный – когда давление внутри источника приходится увеличивать. Геоциркуляционный способ возвращает обратно отработанную охлаждённую воду для насыщения источника.

В каких районах целесообразно размещать геотермальные электростанции

Далеко не любое место приемлемо для создания геотермальной электростанции. Чтобы его выбрать, вначале необходимо определить геотермический градиент – прирост температуры при проникновении вглубь земной толщи. А он величина переменная в пределах от 0,5 до 20^° С (обычно наблюдается повышение температуры на плюс 3° С при погружении в земную твердь на 100 м).

В этом вопросе большую практическую пользу сыграла Кольская сверхглубокая скважина, показавшая переменный характер геотермического градиента – важнейшего фактора, определяющего дальнейшее развитие геотермальной энергетики. На глубине до 3 км градиент составлял 10^° С/км, а дальше он стал расти, пока температура не достигла 220^° С на глубине в 12 км. Согласно проведённым общемировым геологическим исследованиям, наибольшая его величина – 150^° С/км зафиксирована на территории США в штате Оригона, наименьшая – 6^° С/км в ЮАР.

Вот почему наиболее целесообразными местами для строительства ГеоЭС являются тектонически активные зоны с разломами земной коры – там нередко наблюдаются самопроизвольные выходы пара и горячей воды на поверхность. Сегодня практически все наиболее крупные геотермальные станции размещаются в районах повышенного вулканизма. К таковым в России относятся Кавказ, Прибайкалье, Камчатка и Курильские острова. Уже сто лет назад горячую воду из земных недр используют напрямую для отопления в некоторых регионах Кавказа.

Принцип работы геотермальной электростанции

Гео (что в переводе с греческого означает «Земля») тепловая электрическая станция – ТЭС или ГеоТЭС устроена в принципе также как большинство электростанций. В них пар воздействует на лопатки турбины, приводя тем самым во вращение генератор, что вырабатывает электрический ток.

Проблема всегда заключается в том, откуда взять этот самый пар. Ответ здесь очевиден: добыть его из земных недр или произвести с помощью парогенератора из извлечённой оттуда же воды или пароводяной смеси. Вот почему гидротермальные электростанции по своему устройству делятся на те, что используют парогидротермы – смесь пара и воды и на двухконтурные станции на водяном паре, производимом парогенератором.

В случае использования геотермальной энергии возможны четыре варианта выработки электрической энергии на ГеоЭС:

• Пар через трубы подаётся в турбины, что приводят в действие электрогенераторы. Прямая схема.
• Пар предварительно очищается от разрушающих трубы газов, содержащих вещества, вызывающие коррозию. В остальном всё происходит также как и в первом варианте. Непрямая схема.
• Не растворившиеся в воде газы удаляют после процесса конденсации отработанного свой цикл пара. Смешанная схема.
• Иногда в качестве рабочего тела применяют жидкость, обладающую низкой температурой кипения (изопентан). При этом термальные воды передают ей тепловую энергию посредством теплообменника, преобразующего жидкость в состояние газа. Бинарная схема.

КПД геотермальной электростанции

При всех своих достоинствах геотермальные станции отличаются малой эффективностью и недостаточной производительностью. Так проектная мощность уже упомянутой самой мощной в мире The Geysers достигает лишь 1517 МВт при том, что она содержит 22 ГеоТЭС.

Параллельно с этим тепловой КПД таких электростанций с трудом достигает 10%, что легко объяснимо с позиций законов термодинамики. Ведь температура добываемых геотермальных вод значительно ниже температуры вырабатываемого котлами пара.

Отработанное тепло необходимо для повышения эффективности утилизировать. А это возможно только в случае использования его для нужд централизованного отопления или в случае близкого размещения потребителей, например: теплиц или иных производственных хозяйствующих объектов. Вот почему актуальна эксплуатация высокотемпературных геотермальных источников и применение оборудования, рассчитанного на специализированные циклы использования тепловой энергии.

Геотермальные электростанции России

Геотермальная энергетика в нашей стране находится на третьем месте в списке используемых альтернативных энергетических ресурсов после ветровой и солнечной энергетики.

Хотя её потенциал по геологическим оценкам в 10-15 раз превосходит потенциал всего органического топлива российских месторождений. За время проведённых исследований было пробурено более 3000 скважин, что позволило разведать 74 месторождений геотермального характера. Одни только залежи геотермальных способны выдавать ежесуточно до 14 млн м³ горячей воды, что эквивалентно 30 млн т.у.т. (тонн условного топлива). Температура этого источника энергии, залегающего на глубинах до 3,5 км, достигает 40-200^° С.

Наиболее перспективные в плане практического освоения запасы, оцениваемые в 250-350 МВт, расположены на полуострове Камчатка (некоторые специалисты называют цифру в 2000 МВт) и на островах Курильской гряды – 230 МВт. Использование геотермальных ресурсов этого региона вполне способно удовлетворять его потребности в электрической и тепловой энергии. Также имеются значительные объёмы – 200 МВт на Северном Кавказе, в Краснодарском крае и Ставрополье.

В перспективных планах энергетиков Калининградской области запланировано возведение бинарной ГеоЭС в городе Светлый мощностью в 4 МВт. Некоторый интерес представляют и геотермальные ресурсы Западной Сибири, способные производить до 200 млн Гкал тепловой энергии ежегодно.

Однако к 2021 году в РФ сложилась следующая ситуация:

• установленная мощность геотермальных станций составила 74 МВт;
• установленная тепловая мощность (отопление и горячее водоснабжение) – 310 МВт;
• производство электроэнергии – 280 ГВт∙ч/год;
• выработка тепловой энергии – 428 ГВт∙ч/год;
• в эксплуатации находилось: 95 скважин 3-х пароводяных месторождений, обеспечивших получение 13 млн т ПВС (пароводяной смеси) и 101 скважина 33-х гидротермальных месторождений, выдавших 25,7 млн м³ энергоносителя;
• дагестанские ресурсные месторождения: Избербашское, Кизлярское и Махачкала-Изнаирское выдавали 4,4 млн т тонн воды с температурой в 55-105^° С, что составляет 148 млн кВт∙ч тепловой энергии.

К настоящему моменту времени в работе находятся 3 электростанции Камчатки и одна станция на Курильских островах Сахалинской области. Одна ГеоЭС на Камчатке и одна на острове Итуруп (Сахалинская область) прекратили свою работу.

Паужетская ГеоЭС

Первая из российских геотермальных станций, запущенная в работу в 1966 году. Эксплуатирует Камбальское месторождение парогидротерм, расположенное в долине реки Паужетки, вблизи вулканов Камбального и Кошелевого. При установленной мощности в 12 МВт станция с прямым использованием пара способна вырабатывать лишь 5,9 МВт, вследствие ограниченного количества добываемого пара. Поэтому производит в год до 42 млн кВт∙ч электрической энергии.

Верхне-Мутновская ГеоЭС

Сданная в эксплуатацию в 1999 году, станция, использующая прямую энергию пара, выстроена вблизи Мутновской сопки Елизаровского района Камчатского края. В качестве теплоносителя здесь выступает пароводяная смесь, извлекаемая из скважин Мутновского месторождения парогидротерм. Верхне-Мутновская ГеоЭС обладает установленной мощностью в 12 МВт, что позволяет вырабатывать в год примерно 65 млн кВт∙ч электроэнергии.

Мутновская ГеоЭС

Северо-восточнее Мутновской сопки на высоте в 800 метров над уровнем моря расположена самая крупная в России геотермальная станция мощностью в 50 МВт. Начав работу в 2002 году, она благодаря технологии прямого использования пара вырабатывает ежегодно порядка 350 млн кВт∙ч электроэнергии, что даёт возможность совместно с Верхне-Мутновской ГеоЭС обеспечивать почти треть энергетической потребности камчатского Центрального энергетического узла. Станция достаточно перспективна, так имеется возможность наращивания её мощности до 300 МВт путём введения в эксплуатацию очередной мощности и организации бинарного цикла на 13 МВт дополнительной генерации.

Любопытный видеоматериал о станции:

Простыми словами: Мутновская ГеоЭС

Менделеевская ГеоТЭС

Также в 2002 году была введена в строй Менделеевская геотермальная электростанция мощностью в 7,4 МВт. Она находится на самом южном острове Кунашир, что входит в группу Большой гряды Курильских островов Сахалинской области. ГеоТЭС обеспечивает тепловой и электрической энергией посёлок Южно-Курильск.

Океанская ГеоТЭС

На самом большом острове архипелага Курильских островов Итурупе у подножия вулкана Баранского в 2007 году была запущена в работу геотермальная станция Океанская мощностью в 2,5 МВ. Из-за ряда аварий в 2016 году ГеоТЭС была окончательно выведена из эксплуатации. На её месте планируется ввести в работу новую установку мощностью в 5 МВт «Океанская-2» с перспективой наращивания генерации до 15 МВт.

Паратунская ГеоЭС

Ещё одна выведенная из эксплуатации геотермальная электростанция – первая бинарная ГеоЭС в мире была построена возле посёлка Термальный Елизовского района Камчатского края. Станция мощностью в 0,6 МВт использовавшая тепловую энергию Паратунских источников носила экспериментальный характер.

Геотермальные станции в мире

По состоянию на конец 2018 года мощность всех геотермальных электростанций составляла 13155 МВт, выработка электрической энергии равнялась 87,9 млрд кВт∙ч или 0,3% мирового производства электроэнергии. Но вместе с тем наблюдается постепенное увлечение количества как самих ГеоЭС, так и наращивание их мощностей. Лидирующее положение здесь занимали США с 3591 МВт, что в общем балансе страны составило лишь 0,3% производства электрической энергии. С дальнейшими перспективами этой страны можно познакомиться, посмотрев ролик:

Геотермальная энергия: новые технологии

На второй позиции Индонезия – 1948 МВт или 3,7%. Третье место принадлежало Филиппинам с 1868 МВт (27%). Африканская Кения сумела достичь 51%. Также в списке первой десятки государств мира можно увидеть Японию.

Значительных успехов добилась Исландия – островное государство на севере Атлантики, не располагающее углеводородными ресурсами, зато обладающее значительным геотермальным потенциалом. На долю ГеоЭС здесь приходится 62% производства энергии. В списке использующих внутреннее тепло Земли исландских станций:

• «Крафла» – 60 МВт,
• «Сварсенги» – 76,4 МВт,
• «Бьянарфлаг» – 5 МВт,
• «Несъяверилл» – 120 МВт,
• «Рекьянес» – 100 МВт,
• «Хедлисхейди» – 303 МВт,
• «Тайстарейкир» – 90 МВт,
• «Флудир» – 0,6 МВт.

И судя по всему их количество в дальнейшем будет только возрастать, так уже заключены контракты со шведской фирмой Climeon на поставки новейших энергомодулей Climeon Heat Power Unit.

Страна	Станция	Мощность (МВт)
США	Гейзеры	1517
Мексика	Cerro Prieto	820
Италия	Лардерелло	769
Кения	Олкария	727
США	Имперская долина	403,4
Индонезия	Сарулла	330
Филиппины	Тиви	330
Исландия	Хедлисхейди	303
США	Coso	270
Индонезия	Darajat	255

Перспективы развития геотермальной энергетики

Перспективы развития геотермальной энергетики весьма значительны, ведь энергия тепла Земли, оцениваемая в 1 × 10¹⁹ ТДж (2,8 × 10¹⁵ ТВт∙ч), пока что используется явно недостаточно. По свидетельству Международного агентства по возобновляемым источникам энергии в мире к завершению 2021 года лишь 14 438 МВт геотермальной энергии находят практическое применение, что дало возможность генерировать 94 949 ГВт∙ч электрической энергии. Другая авторитетная организация – Ассоциация геотермальной энергетики (GEA) свидетельствует о том, что мы сегодня используем лишь 6,9% глобального геотермального потенциала нашей планеты.

В списке стран, вырабатывающих более 15% энергии используя геотермальных ресурсов: Исландия, Коста-Рика, Кения, Новая Зеландия, Сальвадор и Филиппины. Самым большим потенциалом в 29 ГВт располагает Индонезия, имеющая шансы стать сверхдержавой в области использования одного из нетрадиционных видов энергии. Также значительные возможности есть у Канады.

О своих намерениях создания ГеоЭС в Чхаттисгархе в 2013 году заявила Индия. В 2015 году активизировали свои усилия Гондурас, Чили, Бельгия, Хорватия, Венгрия. Скорее всего, в текущем десятилетии приступят к освоению или значительному увеличению геотермальных мощностей такие страны, как Австралия, Аргентина, Канада, Китай, Доминика, Эквадор, Греция, Иран и Тайвань. Есть планы по созданию станций на островах Монтсеррат, Невис, Сент-Винсент и Сент-Люсия. Проводятся активные исследования в таких странах Африки, как Малави, Танзания, Руанда и Уганда.

Российские перспективы в области освоения геотермальных ресурсов пока что остаются достаточно туманными. Дело в том, что наибольший интерес в их освоении представляют источники Камчатки и Курильских островов. А это очень отдалённые от основных экономических районов страны территории. Есть, конечно, проекты по созданию там производственных мощностей, направленных на выработку водородного топлива. Но его опять же необходимо транспортировать на значительные расстояния.

Гораздо более реальным представляется реализация планов по созданию Паужетской бинарной станции мощностью в 2,5 МВт и реконструкции Мунтовской ГеоЭС с целью наращивания её мощности на дополнительные 12 МВт.