Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.4.2. Геотермальная энергия
Последние десятилетия в истории человечества характеризуются настоящим бумом в использовании возобновляемых источников энергии. Масштабы их применения выросли в разы. Причин этому несколько. Во-первых, эпоха, в которой главенствующую роль играли дешевые традиционные энергоносители, закончилась.
Единственная тенденция, развивающаяся сегодня в данной области – рост цен на все виды ископаемого топлива. Во-вторых, страны, которые являются энергетически зависимыми, всячески стараются использовать возможности альтернативных источников энергии. И, наконец, в-третьих, большая роль в этом вопросе отводится экологическим соображениям – выбросу вредных газов и парниковому эффекту.
Именно такие причины поставили развитие ВИЭ в число приоритетных задач в области энергетики во многих странах.В вопросах совершенствования и развития систем теплоснабжения на первое место вышли аспекты по расширению использования местных нетрадиционных источников энергии, в том числе и геотермальной энергетики.
Геотермальная энергия – это физическое тепло глубинных слоев земли, которые характеризуются гораздо большей температурой, чем температура воздуха на поверхности. Носителями подобной энергии могут быть воды или пароводяные смеси, а также сухая горная порода, расположенная в соответствующих глубинах. Горячие недра Земли постоянно выпускают на поверхность тепловой поток, и под его воздействием образуется градиент температуры – геотермальная ступень. При производстве электроэнергии с учетом технико-экономических затрат температура должна составлять не меньше 100 градусов по Цельсию. Мест на Земле с подобными температурами относительно немного.
В отличие от солнечной или ветряной энергии, которые создают перебои в выработке во время безветренной или пасмурной погоды, тепло Земли можно использовать постоянно. Получение больших объемов геотермальной энергии доступно далеко не всем странам мира. Эту возможность имеют только те, которые располагаются в вулканических районах планеты. Помимо этого есть определенные риски для окружающей среды, связанные с выбросами отработанной воды.
Подземные воды представляют опасность для здоровья человека в связи с возможным содержанием в них токсичных соединений.
Наиболее распространенными и эффективными сферами применения геотермальной энергии являются отопление, горячее и техническое водоснабжение объектов в различных отраслях деятельности: электроэнергетике, промышленности, сельском хозяйстве. А оптимальный энергетический эффект может быть достигнут за счет создания определенных систем отопления и повышения перепада температур.
Гео- электростанции работают почти в 30 странах мира, а их суммарная мощность — более 10 тысяч МВт. Лидерами в этой сфере являются США, Филиппины, Мексика, Индонезия, Италия, Япония, Новая Зеландия, Исландия. Что касается Исландии, то её с высокие показатели жизни достигнуты благодаря переводу своей экономики на геотермальный ресурс. Более 90% теплоснабжения здесь основано на геотермальном тепле. Например, система геотермального теплообеспечения Рейкьявика покрывает 99% потребностей города в тепле.
Большой популярностью в последнее время пользуются геотермальные системы теплоснабжения, в основе которых лежит работа тепловых насосов. Почти 58% общих мощностей геотермальных тепловых установок составляют теплонаносные агрегаты. Данная технология успешно развивается в Германии, США и Канаде [2.102].
Различают гидрогеотермальные ресурсы, заключённые в естественных подземных коллекторах (термальные воды), и петрогеотермальные ресурсы, аккумулированные в блоках нагретых (до 350°С и более) практически безводных (сухих) горных пород. Технология извлечения петрогеотермальных ресурсов основана на создании искусственных циркуляционных систем ( тепловых котлов). Практическое значение имеют гидрогеотермальные ресурсы, устойчивый режим которых, относительная простота добычи и значительные площади распространения позволили использовать эти воды для теплоснабжения (при t от 40 до 100-150°С) и выработки электроэнергии (150-300°С) [2.103].
Гидрогеотермальные ресурсы приурочены к трещинным водонапорным системам, развитым в районах современного вулканизма и в складчатых областях, испытавших воздействие новейших тектонических движений; пластовым водонапорным системам. Трещинные водонапорные системы развиты локально в крупных зонах тектонических разломов.
Извержение тысяч вулканов, движение блоков земной коры, землетрясения свидетельствуют о действии мощной внутренней энергии Земли. Считается, что тепловое поле нашей планеты обусловлено радиоактивным распадом в ее недрах, а также гравитационной сепарацией вещества ядра. Главными источниками разогрева недр планеты есть уран, торий и радиоактивный калий. Процессы радиоактивного распада на континентах происходят в основном в гранитном слое земной коры на глубине 20-30 и более км., в океанах - в верхней мантии. Предполагают, что в подошве земной коры на глубине 10-15 км. вероятное значение температур на континентах составляет 600-800 ° С, а в океанах - 150-200 ° С. [2.104].
Исходя из изложенного выше, можно выделить четыре основных типа ресурсов геотермальной энергии:
- поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами;
- энергетические ресурсы пара, горячей и теплой воды у поверхности земли, которые сейчас используются в производстве электрической энергии;
- теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли (возможно, при отсутствии воды);
- энергия магмы и теплота, которая накапливается под вулканами.
Для того, чтобы оценить масштабы энергетических запасов земных недр, достаточно привести несколько сравнений. Энергия нашей планеты, аккумулированная в ее недрах в виде тепла, в тридцать с лишним миллиардов раз (!) превышает суммарное количество всех видов энергии, которое человечество потребляет за год. Даже если освоить всего один процент этого энергетического «клондайка», то есть использовать только ту часть земного тепла, которое находится на глубине до 10 километров, полученная энергия в несколько сотен раз превысит ту, что содержится во всех мировых запасах нефти и газа. Промышленное освоение началось в Италии, когда в 1916 году была запущена первая в мире геотермальная станция мощностью 7,5 МВт. С тех пор накоплен богатый мировой опыт проектирования и строительства электрических станций, использующих тепло земных недр[2.105].
Геотермальная энергетика обладает специфической особенностью. Здесь неприемлем типовой подход к проектированию. Каждая станция имеет свое уникальное исполнение, обусловленное особенностями используемой рабочей среды, глубины ее расположения, температурой и химическим составом. По этой же причине существенно различается себестоимость вырабатываемой электрической энергии на разных электростанциях. В среднем, себестоимость киловатт – часа электроэнергии, полученной на ГеоТЭС, сравнима с аналогичным показателем для угольных электростанций. Столь высокая стоимость для казалось бы «бесплатной» энергии объясняется большими затратами на проведение исследований, предшествующих проектированию, а также необходимостью осуществлять буровые работы в трудных условиях.
Разработка геотермального энергетического проекта состоит из нескольких фаз. Сначала с помощью специальных подземных проб определяется место, где, предположительно, находится геотермальный резервуар. Затем производится глубокая разведка. Если тесты подтверждают, что место выбрано правильно, бурятся скважины и на поверхности строится электростанция, либо пар по трубам перенаправляется в сторону уже существующей станции.
Экономически оправдано бурение глубиной до 5 км. Фаза глубокого бурения сопровождается исследованиями состояния окружающей среды для наилучшего позиционирования скважины и оптимизации добычи пара. Пар доставляется из скважин к электростанции при помощи изолированных паровых труб из стали. На электростанции пар попадает на турбину вращающую электрогенератор. После прохождения турбины пар охлаждается в конденсаторе и превращается в воду. Часть полученной таким образом воды возвращается в подземный природный резервуар при помощи специальных шахт, другая часть выпускается в атмосферу[2.106].
При невысокой температуре геотермального источника (120-170°C) часто применяется технология бинарного цикла. В таких системах геотермальная жидкость используется для выпаривания другой жидкости с меньшей, чем у воды, температурой кипения, через теплообменник, а затем сразу же отправляется в систему обратного впрыска, тем самым полностью восполняя природный резервуар.
Наиболее широкое распространение геотермальная энергетика получила в двух типах регионов. В первую очередь она развивается там, где в силу природных условий существует большое количество доступных горячих источников. Кроме того, геотермы используются там, где наблюдается дефицит горючих полезных ископаемых или же доставка энергоресурсов осложняется труднодоступностью района. В ряде стран тепло или электроэнергия, добытые с помощью геотермальных станций, покрывают существенную долю энергетических затрат.
По такой технологии получают порядка трети электроэнергии потребители американского Сан-Франциско. В Польше насчитывается уже четыре геотермальные станции, одна из которых обеспечивает потребности курортного города Закопане. Горячее водоснабжение в литовской Клайпеде осуществляется полностью за счёт работы геотермальной станции. В девяностых годах суммарная мощность геотермальных станций мира оценивалась в 5 ГВт, к двухтысячным она перевалила за 6 ГВт. Ряд оценок позволяет сделать вывод о том, что сейчас выработка геотермальной энергии превышает 10 ГВт. [2.107].
Рис.2.82. Основные государства, производящие геотермальную энергию.
Впрочем, на международном уровне геотермальная энергетика считается достаточно перспективным направлением. Нацеленность на развитие данного сегмента подтверждается решением недавно прошедшего Климатического саммита в Париже. Представители 38 стран проголосовали за наращивание выработки геотермальной энергии на 500%. Инициатива принятия такого решения принадлежит Международному агентству по возобновляемым источникам энергии (IRENA). Ожидается, что развитие отрасли даст возможность сдержать неблагоприятные изменения климата.
В резолюции саммита указано, что данный вид энергии остаётся одним из самых дешёвых, однако степень развития отрасли крайне недостаточна. Потенциал для развития в этой сфере имеют около 90 государств. Члены саммита признали, что основным препятствием реализации геотермальных проектов является вовсе не экология, а необходимость значительных инвестиций в бурильные работы. В то же время, продажи электроэнергии можно осуществлять по мере разработки источников, не дожидаясь полной реализации проектов.
Согласно статистике Глобального геотермального альянса, 90 стран мира обладают существенным потенциалом геотермальной энергии, но лишь 24 страны используют геотермальные технологии для производства энергии. К основным барьерам, сдерживающим рост геотермальной энергетики в мире, можно отнести политическую неопределенность, сложность разрешительной процедуры, высокие капитальные затраты, в первую очередь связанные со стоимостью бурения скважин, и разведывательно-эксплуатационные риски.
Ряд шагов по улучшению финансирования сектора были предприняты. В частности, Азиатский банк развития запустил кредитную программу на сумму $500 млн. для поддержки усилий правительства Индонезии по развитию геотермальных, биоэнергетических технологий, а также малой гидроэнергетики. Необходимо отметить, что Индонезия, с уже установленными 1,23 ГВт-ми геотермальных мощностей, занимает почетное третье место в мировом рейтинге стран по использованию энергии тепла Земли. К 2020 г. геотермальная промышленность Индонезии может практически утроить свой современный показатель и достичь 3,5 ГВт., доведя суммарную мощность геотермальных установок до 6 ГВт. к 2025 г.
Восточно -Карибский регион сможет воспользоваться кредитами и грантами в рамках 71,5 млн. долларового финансирования, выделенного совместно Американским банком развития и Карибским банком развития. Африканский Союз – альянс, состоящий из 54 стран, пообещал выделить $20 млрд. на создание 10 ГВт. мощностей возобновляемой энергетики, сфокусировав свое внимание на развитии геотермальных проектов в Восточно -Африканской рифтовой долине[2.108].
Сегодня имеется возможность снижать стоимость электроэнергии за счет улучшения технологии ее получения и техники разработки месторождений. Однако уже через 20 лет положение изменится. Нефть и газ, конечно, еще останутся, но они будут залегать в таких сложных геологических условиях, что их добыча будет все значительнее дорожать. Таким образом, у нас остается примерно 20 лет на то, чтобы развивать альтернативные отрасли энергетики, использующие возобновляемые источники энергии.
В частности, к таким отраслям относится: геотермальная энергетика — использование глубинного тепла Земли. Кроме того, возобновляемые источники энергии, помимо экономического эффекта, позволяют также предотвратить дальнейшее загрязнение биосферы — что становится все более актуальным в условиях ухудшающейся экологической обстановки. 8а
Ресурсы геотермальной энергетики в России сопоставимы по объемам со всеми вместе взятыми запасами углеводородов. Особенно перспективной эта отрасль является для юга России и Дальнего Востока.
На юге России - на Кавказе, в Ставрополье и Краснодарском крае — практически в любой точке можно поставить буровую установку и начать разработку месторождения геотермальных вод с температурой от 70 до 126°С. Причем эта вода выходит на поверхность под естественным давлением, то есть не нужно никаких насосов. Без больших затрат этот регион может полностью отапливаться и снабжаться горячей водой за счет геотермальных ресурсов - включая не только жилье, но и промышленные предприятия.
При этом тепло, полученное при использовании геотермальных вод, в 4 раза дешевле, чем выработанное в котельных. Срок окупаемости любого проекта в геотермальной энергетике составляет 2–3 года, тогда как газовое месторождение окупается в среднем за 6–7 лет. Камчатская геотермальная система может обеспечивать энергией электростанции общей мощностью до 250–350 МВт. На Курильских островах геотермальные ресурсы позволяют получать уже сегодня 230 МВт электроэнергии. По ряду причин всё это пока остаётся в проектах
Более 40 лет ожидает своего часа разработанный проект по использованию тепла вулкана Авачинская сопка близ Петропавловска-Камчатского. Геотермальных вод в районе вулкана нет, но тепло этого очага, находящегося на глубине порядка 3 км, можно использовать для подогрева воды, закачанной через скважину.
Нагретую воду было бы очень удобно использовать для теплоснабжения Петропавловска-Камчатского, поскольку вулкан находится всего в 25 км от города, и при этом из-за перепада высоты вода текла бы самотеком. Однако, пока это только проекты[2.109].
К сожалению, геотермальные источники распределены по поверхности земного шара неравномерно. На сегодняшний день они обнаружены и используются почти в 60-и странах, в основном, в районе Тихоокеанского вулканического кольца, а также в районе Дальнего Востока России. Кроме открытых источников, добраться до подземной энергии возможно с помощью бурения скважин, причем через каждые 36 метров температура повышается на один градус. Получаемое таким способом тепло в виде горячей воды или пара можно использовать как для производства электрической энергии, для обогрева помещений, а также для производственных нужд, что актуально для России с холодными зимами [2.110].
Геотермическая энергия Германии используется в различных направлениях. Одно из них системы отопления.Такие системы имеют множество преимуществ и во времена постоянно растущих цен на нефть и природный газ, геотермальная энергия является больше, чем просто альтернативой- она обеспечивает независимость. Из одного кВт. электроэнергии можно получить четыре - пять кВт тепла. Для обеспечения, например, в частных домах тепловой энергией необходима скважина и тепловой насос.
Геотермальная энергия практически есть везде и в неограниченном количестве. Скважины практически можно организовать везде. Они имеют срок службы более 100 лет, а для теплового насоса нужно места не более чем для стиральной машины.
Другим важным аспектом является экологическая эффективность геотермальной энергии. Энергия, которая добывается из тепла земли, ни загрязняет воздух, ни содержит углекислый газ Установка для добычи геотермальной энергии не требует постоянного сервиса и отличается низкими эксплуатационными расходами. Ее можно использовать для отопления помещений, подогрева воды, так и для кондиционирования помещений. Большую помощь в использовании геоткрмальной энергии оказывает государство[2.111].
Банковская группа KfW выдает на очень выгодных условиях специальные кредиты для установки систем отопления на основе возобновляемых источников энергии. Так, при установке геотермального отопления в новостройках Германии, владельцы могут получить льготный кредит в размере до 50000 Евро на каждую квартиру или дом.
Германия была одной из немногих стран после ядерной катастрофы 2011 года в Фукусиме, которая успешно приступила к отказу от ядерной энергетики и закрыла девять объектов ядерной генерации, которые по своему потенциалу обеспечивали энергией 20 миллионов домов в Европе.
В настоящее время вклад ядерной энергетики в производство электроэнергии в Германии снизился до 16%, в то время как возобновляемые источники энергии стали приоритетными для выработки электроэнергии в стране.
Однако Германия столкнулась с необычной проблемой. Резкое увеличение использования зеленой энергии и генерации из возобновляемых источников энергии привело к проблеме избыточного количества такой электроэнергии.
Если рассмотреть динамику производства электроэнергии от различных видов источников, например, за 10лет (см. рис.2.83 ),то можно увидеть, как изменялись доли потребления каждого из видов [2.112].
Рис.2.83. Производство электроэнергии, потребности и экспорт в Германии за десятилетие (2003-2013).
При этом доля от возобновляемых источников за четверть века выросла в 7 раз. (см. рис.2.84 ).
Хотя Германия в течение последнего десятилетия почти в пять раз увеличила производство возобновляемой энергии, она не в состоянии профинансировать создание необходимой инфраструктуры для транспортировки этой энергии. В Германии происходит модернизация сети, которая смогла бы вместить избыточные мощности [2.113,2.114].
Сетевые компании планируют инвестировать для такой модернизации сети и изменения существующих линий электропередачи высокого напряжения около $24 млрд. Технологии, обеспечивающие хранение избыточной энергии уже существуют
Это газовые технологии в энергетике, которые в основном преобразуют излишки электроэнергии в газообразную энергию, путем получения водорода, который при сгорании дает нулевые выбросы углерода. После этого данный газ может быть преобразован в метан и использован в качестве источника энергии.
Немецкий автогигант Audi был первым, кто использовал эту технологию, создав в Германии первые в мире 6 МВт "энергии газа".
Рис.2.84.Доля возобновляемой энергетики в энергобалансе Германии в 1991-2014 годах .
Ведущим производителем геотермальной энергии являются США ,что подтверждают данные, приведенные в [2.115,2.116] сведения по март 2018 года по био- и геотермальной энергетике приведены в таблице 2. Отмечается, что происходит опережение показателей по сравнению с прогнозами. Всего лишь пять лет назад, Управление энергетической информации, являющееся, подразделением Министерства энергетики США предсказывало, что совокупная доля ВИЭ в производстве электричества вырастет с 10% в 2010 году до 15% в 2035. Совсем недавно, в 2015 EIA прогнозировало, что доля возобновляемых источников энергии вырастет с 13% в 2013 до 18% в 2040. Таким образом, фактическое развитие опережает прогнозы на десятилетия.
Ежемесячные показатели производства и потребления электроэнергии от био- и геотермальных источников приведены в таблице 2.21.
Таблица 2.21. Ежемесячные показатели производства и потребления электроэнергии от био- и геотермальных источников(2017-2018)
Распределение по странам мира по данным за 2015 год представлено в а круговая диаграмма по ряду стран - в [2.117,2.118].
По сведениям на 2015-й год наиболее активно используют геотермальную энергию 6 стран (см.рис. 2.85 ) ,10 стран (см.рис. 2.86 ) [2.5]. 
Рис.2.85. Использование геотермальной энергии в ряде стран .
Рис.2.86. Установленная мощность от геотермальных источников 10 основных стран мира.
На рис.2. 86. показан также прирост потребления за 2015 год по каждой из стран и в остальном мире.