Геотермальная энергия: как тепло Земли было превращено в эффективный энергетический ресурс /

Неисчерпаемость. Электростанции, работающие на ископаемом топливе – природном газе, угле, мазуте – сильно зависят от поставок этого топлива. Опасность заключается не только в перебоях с поставками, вызванных катастрофами или изменениями политической ситуации, но и в незапланированном повышении цен на сырье. В начале 1970-х годов политические беспорядки на Ближнем Востоке вызвали топливный кризис, в результате которого цены на нефть выросли в четыре раза. Кризис дал новый импульс развитию электротранспорта и альтернативных источников энергии. Одним из преимуществ использования тепла Земли является то, что оно практически неисчерпаемо (по крайней мере, в результате деятельности человека). Годовой поток тепла, достигающий поверхности Земли, составляет около 400 000 ТВтч в год, что в 17 раз больше, чем производят все электростанции на планете за тот же период. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость охлаждения оценивается в 300-500 °C за 1 миллиард лет. Нет опасений, что человечество может ускорить этот процесс, буря скважины и откачивая воду – снижение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2-1020 кВт/ч энергии, что в миллионы раз превышает годовое потребление электроэнергии всем человечеством.

Содержание

Геотермальная энергия: как тепло Земли превратилось в эффективный источник энергии

Дано: Внутри Земли есть горячее ядро, которое необходимо использовать для производства электроэнергии.
Вопрос: Как это можно сделать?
Ответ: Постройте геотермальную электростанцию.
Давайте рассмотрим, как, откуда берется пар под землей и имеет ли смысл строить такую электростанцию.

Самый старый и популярный на сегодняшний день метод выработки электроэнергии в промышленных масштабах – это приведение в действие турбины генератора мощной струей горячего пара из воды, выкипевшей в результате принудительного потепления. Если задуматься, то и угольная ТЭС, и современная АЭС кипятят воду, с той лишь разницей, что ТЭС сжигает для этого уголь, а реактор АЭС кипятит ее, используя тепловыделяющие элементы, нагретые в результате управляемой цепной реакции.

Но зачем нагревать воду, если в некоторых местах она уже поступает горячей из-под земли? Нельзя ли использовать его напрямую? Можно: в 1904 году. Итальянец Пьеро Джинори Конти создал первый генератор, работающий на паре из природных геотермальных источников, найденных в Италии. Так родилась первая в мире геотермальная электростанция, которая работает и по сей день.

Однако, чтобы геотермальная электростанция имела приемлемую производительность и стоимость, ей необходима вода определенной температуры, расположенная не глубже определенного уровня. Если вы хотите построить геотермальную электростанцию (например, на своей земле), сначала необходимо пробурить скважину в водоносных слоях, где вода под огромным давлением нагревается до 150-200 °C и готова к выходу на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Затем, как и на электростанциях, работающих на ископаемом топливе, поступающий пар вращает турбину, которая приводит в действие генератор для выработки электроэнергии. Геотермальная энергия предполагает использование естественного тепла планеты для выработки пара. Давайте теперь разберемся более подробно.

Немного о земном тепле

Температура поверхности твердого ядра Земли составляет около 6000 °C на глубине около 5100 км. По мере приближения к земной коре температура постепенно снижается.


Наглядный график, показывающий, как меняется температура камня по мере приближения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1

Так называемый геотермальный градиент – изменение температуры в конкретной области земных недр – составляет в среднем 3 °C на каждые 100 метров. Другими словами, в шахте на глубине 1 километра будет 30-градусная жара – любой, кто побывал в такой шахте, подтвердит это. Температурный градиент варьируется от региона к региону, например, Кольская сверхглубокая скважина зафиксировала 220°C на глубине 12 километров, а в некоторых частях планеты, вблизи тектонических разломов и зон вулканической активности, для получения аналогичной температуры достаточно пробурить скважину на расстоянии от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 километров. В американском штате Орегон геотермальный градиент составляет 150 °C на километр, в то время как в Южной Африке он составляет всего 6 °C на километр. Отсюда вывод: невозможно построить хорошую геотермальную установку в любом месте (перед началом работ убедитесь, что ваш дом для отдыха находится в подходящем месте). В целом, подходящими местами являются места с сильной геологической активностью – землетрясения и действующие вулканы встречаются часто.

Типы геотермальных электростанций

В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии доступен (например, в вашем ДСК), вы выбираете тип электростанции. Давайте разберемся, что это такое.

Гидротермальная электростанция

Упрощенная схема гидротермальной электростанции с прямой циркуляцией будет понятна даже ребенку: горячий пар поднимается из земли по трубе, которая приводит в движение турбину генератора, а затем поднимается в атмосферу. Все действительно так просто, если только нам повезет найти правильный источник пара.

Геотермальная электростанция прямого цикла. Источник: Save On Energy

Если имеющаяся скважина производит не пар, а смесь пара и воды с температурой выше 150°C, потребуется установка комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор отделяет пар от воды – пар поступает в турбину, а горячая вода либо возвращается в скважину, либо поступает в расширитель, где в условиях низкого давления отдает дополнительный пар в турбину.

Если вашему курортному городу не повезло с горячими источниками – например, если температура подземных вод ниже 100 °C на экономически приемлемой глубине – и вы действительно хотите установить геотермальную установку, вам придется построить комплекс если кто-то действительно хочет построить геотермальную электростанцию, ему придется построить сложную бинарную геотермальную электростанцию.Этот цикл был изобретен в СССР. В этом случае жидкость из скважины вообще не подается в турбину ни в каком виде. Вместо этого он нагревает другую рабочую жидкость с более низкой температурой кипения в теплообменнике, которая превращается в пар, вращает турбину, конденсируется и возвращается в камеру теплообмена. Этими рабочими жидкостями могут быть, например, фреоны, один из которых (фтордихлорбромметан) уже кипит при 51,9 °C. Бинарный цикл может быть объединен с комбинированным циклом, в котором пар подается в одну турбину, а отделенная вода направляется в другой контур для нагрева теплоносителя с низкой температурой кипения.

Геотермальная электростанция, работающая по бинарному циклу. Источник: Save On Energy

Петротермальная электростанция

Как вы могли заметить, теплые подземные источники встречаются в мире очень редко, что резко ограничивает потенциальную область применения геотермальной энергии, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячих глубинах земной коры нет воды, ее нужно закачать. Принцип петротермальной энергетики заключается в закачке воды в глубокую скважину с нагретой породой, где жидкость превращается в пар и возвращается в турбину электростанции.


Упрощенная схема петротермальной электростанции

Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну из них с поверхности будет подаваться вода, которая под воздействием тепла породы превратится в пар и будет выпущена через другую скважину. И тогда процесс выработки электроэнергии будет полностью аналогичен процессу выработки электроэнергии на гидротермальной электростанции.

Конечно, соединить две скважины под землей на глубине нескольких километров нереально – вода между ними соединена трещинами, которые создаются путем продавливания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв пласта). Чтобы трещины и пустоты не закрывались со временем, в воду добавляют гранулы, например, песок.

В среднем, одна скважина в петротермальном процессе производит поток пароводяной смеси, достаточный для выработки 3-5 МВт энергии. Такие системы еще нигде не реализованы на промышленном уровне, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.

Преимущества геотермальной энергии

Из вышесказанного видно, что использование тепла Земли для выработки электроэнергии в промышленных масштабах – дело не из дешевых. Однако по ряду причин это очень выгодно.

Неисчерпаемость. Электростанции, использующие ископаемое топливо – природный газ, уголь, мазут – сильно зависят от поставок одного и того же топлива. Угрозу представляют не только перебои в поставках, вызванные стихийными бедствиями или изменениями политической ситуации, но и незапланированный рост цен на сырьевые товары. В начале 1970-х годов политические беспорядки на Ближнем Востоке вызвали топливный кризис, в результате которого цены на нефть выросли в четыре раза. Кризис дал новый импульс развитию электротранспорта и альтернативных источников энергии. Одним из преимуществ использования тепла Земли является то, что оно практически неисчерпаемо (по крайней мере, под действием человека). Годовой поток тепла, достигающий поверхности Земли, составляет около 400 000 ТВтч в год, что в 17 раз больше, чем производят все электростанции планеты за тот же период. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость охлаждения оценивается в 300-500 °C за 1 миллиард лет. Само собой разумеется, человечество может ускорить этот процесс, пробурив отверстия и закачав в них воду – снижение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2-1020 кВт/ч энергии, что в миллионы раз превышает годовое потребление электроэнергии всем человечеством.

Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции чрезвычайно чувствительны к погодным условиям и времени суток. Нет солнца – нет производства, завод питается от батарей. Нет ветра – снова нет энергии, и снова в игру вступают аккумуляторы, емкость которых не бесконечна. Гидротермальная электростанция будет работать непрерывно 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, если соблюдаются процессы возврата воды в скважину.

Компактный и удобный для работы в труднодоступных местах. Обеспечение электроэнергией удаленных районов с изолированной инфраструктурой – задача не из легких. Еще сложнее, если в районе плохое транспортное сообщение, а местность не подходит для обычных электростанций. Одним из главных преимуществ геотермальных электростанций является их компактность: поскольку теплоноситель буквально черпается из земли, турбина с генератором и градирня строятся на поверхности, и вместе они занимают очень мало места.

Геотермальная электростанция мощностью 1 ГВтч/год займет площадь 400 м2 – даже в горной местности геотермальной электростанции потребуется очень маленький участок земли и дорога. Для солнечной электростанции такой же мощности потребуется 3 240 м2 , для ветряной электростанции – 1 340 м2 .

Экологичность. Сама работа геотермальной электростанции практически безвредна: выбросы углекислого газа в атмосферу оцениваются в 45 кг CO2 на 1 кВт/ч произведенной энергии. Для сравнения, угольные электростанции производят 1000 кг CO2 на кВт/ч, нефтяные – 840 кг, а газовые – 469 кг. Кстати, атомные электростанции производят всего 16 кг – меньше всего, но углекислого газа.

Возможна параллельная добыча полезных ископаемых. Удивительно, но некоторые геотермальные электростанции производят, помимо электроэнергии, газы и металлы, растворенные в смеси пара и воды из-под земли. Их можно было бы просто сбрасывать обратно в скважину вместе с конденсированным паром, но, учитывая количество минералов, проходящих через геотермальную электростанцию, более разумным является их извлечение. В некоторых районах Италии колодезный пар содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна гидротермальная электростанция мощностью 4 МВт здесь потребляет 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты здесь поставлена на коммерческую основу.

Недостатки геотермальной энергии

Рабочая жидкость опасна. Как уже упоминалось выше, геотермальные электростанции не производят дополнительных токсичных выбросов и выделяют лишь небольшое количество углекислого газа, что на порядок меньше, чем газовые электростанции. Однако это не означает, что подземные воды и пар всегда являются чистыми веществами, подобными минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из глубин Земли насыщена газами и тяжелыми металлами, характерными для данного участка земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам, подающим воду на геотермальную электростанцию, течет такой впечатляющий коктейль, что его выброс в атмосферу или водоемы вызвал бы немедленную локальную экологическую катастрофу.


Результат воздействия геотермальной воды на металлы.

Если все требования безопасности соблюдены, пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Однако в случае возникновения нештатных ситуаций или преднамеренного нарушения технических норм геотермальная станция может нанести определенный ущерб окружающей среде.

Высокая стоимость одного киловатта. Несмотря на относительную простоту геотермальных электростанций, первоначальные затраты на их строительство значительны. Много денег тратится на исследования и анализ, в результате чего стоимость геотермальных электростанций колеблется в пределах 2800 долларов США за кВт установленной мощности. Это сравнимо с 1 000 долларов США за кВт для тепловой электростанции, 1 600 долларов США за кВт для ветровой турбины, 1 800-2 000 долларов США за кВт для солнечной электростанции и приблизительно 6 000 долларов США за кВт для атомной электростанции. Для геотермальных электростанций указывается средняя стоимость, которая может значительно отличаться в зависимости от страны, рельефа местности, химического состава пара и глубины бурения.

Относительно небольшая емкость. В принципе, геотермальные электростанции пока не могут сравниться с гидроэлектростанциями, атомными или тепловыми электростанциями в плане производства энергии. Даже если пробурить большое количество скважин, поток пара все равно будет небольшим, и вырабатываемой электроэнергии будет достаточно только для небольших населенных пунктов.

Комплекс геотермальных электростанций Geysers, самый мощный в 2019 году, расположен на территории площадью 78 км2 в Калифорнии, США. Она состоит из 22 гидротермальных электростанций и 350 скважин общей установленной мощностью 1 517 МВт (фактическая мощность 955 МВт), покрывая до 60% потребностей штата в энергии на Северном побережье. Мощность всех гейзеров сопоставима с мощностью советского реактора РБМК-1500, который когда-то работал на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. Геотермальные электростанции мощностью 200-300 МВт считаются очень эффективными, в то время как большинство электростанций по всему миру работают с двузначными показателями.


Гидротермальная электростанция “Гейзеры” в Калифорнии. А всего их 22 Источник: Wikimedia / Stepheng3

Где все это работает и насколько это перспективно

Во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии в 2018 году, по сравнению с всего лишь 9,7 ГВт в 2007 году. Да, это не геотермальная революция, но рост уже произошел.

Лидером по производству геотермальной энергии являются Соединенные Штаты с 3 591 МВт. Впечатляющая цифра, но она составляет всего 0,3% от общего объема национального производства. Далее следует Индонезия с 1 948 МВт и 3,7%. На третьем месте, однако, находится интересный факт: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт и вырабатывают 27% электроэнергии в стране. А в Кении – 51%! Япония также входит в первую десятку по количеству киловатт, вырабатываемых геотермальными электростанциями.

Первая геотермальная электростанция, Мацукава, была открыта в Японии в 1966 году. Она вырабатывает 23,5 МВт, а турбина и генератор были изготовлены компанией Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в Африке, где началось активное заключение контрактов и строительство геотермальных электростанций. В 2015 году Кения ввела в эксплуатацию АЭС Olkaria IV, одну из четырех в зоне Olkaria, в 120 км от Найроби, мощностью 140 МВт. Это позволит правительству снизить зависимость от гидроэлектростанций, сбросы которых часто приводят к разрушительным наводнениям.


Геотермальная электростанция Olkaria IV в Кении. Олкария V и Олкария VI, как ожидается, будут введены в эксплуатацию в 2021 году. Источник: Toshiba

Гео-ТЭС также строятся в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.

В России развитие геотермальной энергетики идет очень медленно, поскольку нет большого спроса на строительство дополнительных электростанций. В 2015 году их было всего 82 МВт.

Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Его первоначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт; сейчас она увеличена до 12 МВт. За ней последовала Паратунская электростанция мощностью всего 600 кВт, первая в мире двухсистемная геотермальная электростанция.

Сегодня в России всего четыре электростанции, три из которых снабжают Камчатку, а еще одна, Менделеевская ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир на Курильских островах.

На планете существует довольно много способов выработки электроэнергии без использования ископаемого топлива. Некоторые из них, такие как солнечная и ветровая энергия, успешно используются сегодня. Некоторые из них, такие как водородные топливные элементы, все еще находятся на ранних стадиях внедрения. Геотермальная энергия – это наш резерв на будущее, и мы еще не раскрыли весь ее потенциал.

Преимущества выработки геотермальной энергии включают:

Носители энергии из земной коры

Геоэнергетика

То, что температура увеличивается с глубиной, уже известно на уроках географии. Огромное количество тепла хранится внутри планеты и может быть использовано для спасения человечества от экологической катастрофы. Уже разработана технология, позволяющая использовать эту тепловую энергию и преобразовывать ее в электричество. Для этого достаточно построить геотермальную электростанцию.

Петротермальные и гидротермальные источники являются носителями энергии в недрах Земли. Первое – это тепло горных пород, второе – горячие подземные воды, которые поднимаются на поверхность под высоким давлением. Хотя горячие камни встречаются чаще, от них трудно получить тепло. Для этого необходима технология закачки воды на большую глубину. Источники горячей воды, с другой стороны, передают свою собственную тепловую энергию из недр земли.

Очищенный и сконденсированный пар поступает на установку повторной закачки, после чего он откачивается компрессорами и растворяется в конденсате.

Геотермальные ресурсы

Источником энергии геотермальной электростанции являются земные недра, где тепло аккумулируется благодаря процессам, непрерывно происходящим в земном ядре. Давайте подробно рассмотрим историю открытия этих подземных источников и проследим хронологию развития средств преобразования энергии теплоносителя в электричество.

История развития

Способы практического использования энергии геотермальных источников были известны человеку уже в глубокой древности (1 век нашей эры). Традиционно его использовали в следующих формах:

  • Купание в открытых резервуарах с горячей водой (например, возле гейзеров).
  • Принятие банных процедур, основанных на использовании одних и тех же термальных вод.
  • В виде эффективной городской системы отопления.

В Древнем Риме высшие классы любили отдыхать в изотермах (так назывались ванны, нагреваемые источниками тепла из недр Земли). Позже, в 14 веке, изобретательные французы построили первую в мире систему теплоснабжения, которая также использовала геотермальный потенциал Земли. В промышленных масштабах его начали использовать в Италии в 1827 году. Тепловая энергия земли была использована итальянскими инженерами для извлечения борной кислоты из вулканических пород. Со временем специалисты научились различать петротермальные и гидротермальные источники.

Петротермальная энергия

Так называемая “петротермальная энергия” – это вид геотермальной энергии, использующий в качестве источника тепло сухих горных пород. При изучении этого метода добычи энергии следует обратить внимание на следующие моменты:

  • Повышение температуры породы с глубиной характеризуется специальным показателем, называемым “градиентом”;
  • Средний градиент температуры в земной коре в разных регионах составляет 0,02°C на метр;
  • При данном градиенте температура на глубине до 5 км может достигать 100 C.

Этот температурный градиент достаточен для практического использования в производстве энергии.

Гидротермальные источники

Гидротермальные источники тепла – это подземные воды природного происхождения, которые гораздо более эффективны с точки зрения извлечения энергии, чем их петротермальные аналоги. Кроме того, этот метод не требует больших денежных и трудовых затрат.

Обратите внимание: Создание и внедрение таких систем возможно только в местах, где геотермальная вода присутствует в достаточном количестве и доступна для эксплуатации.

Примером такого места являются разведанные области скрытой вулканической активности. Следовательно, из всех пригодных для эксплуатации геотермальных ресурсов только около 1 процента составляют гидротермальные ресурсы. Остальные 99 процентов – это петротермальные источники, которые можно найти практически в любом месте на поверхности Земли.

Основные характеристики геотермальной энергии

Характеристики геотермальной энергии следующие

  • Сравнимые трудности с доступом к возобновляемым источникам тепла.
  • Трудности в выборе правильного метода получения и преобразования энергии.
  • Необходимость рассмотрения преимуществ и недостатков строительства геотермальных электростанций в отдельных районах страны.

Дополнительная информация: Источником тепла является сухая горная порода или геотермальная вода, находящаяся в недрах земли и доступная для использования.

Для извлечения энергии из тепловых ресурсов недр используется один из следующих известных методов:

  • Традиционный подход.
  • Добыча с помощью насосных станций.
  • Фонтанный метод.
  • Метод георешетки.

Традиционный метод предполагает прямой доступ к источнику тепла, при этом энергия выделяется через канал в скважине. При фонтанном методе сырье самопроизвольно изливается под действием внутреннего давления водяного пара, скопившегося в недрах. Насосные устройства используются в ситуациях, когда второй вариант с независимым доступом к скважине практически неосуществим. Последний метод примечателен тем, что полностью истощенное сырье возвращается в недра земли.

Преимущества и недостатки геотермальных электростанций

К неоспоримым преимуществам использования геотермальной энергии относятся:

  • Значительные запасы тепловой энергии, которые при правильном использовании можно считать возобновляемыми;
  • Экономическая эффективность достигается за счет отказа от традиционных видов топлива;
  • Экологическая чистота геотермальных источников и установок, которые не выбрасывают в атмосферу никаких вредных веществ;
  • Самодостаточность, исключающая необходимость использования иностранных источников энергии (за исключением первого запуска системы).

Внимание: Геотермальные тепловые станции (ГеоТЭС) также не требуют значительных эксплуатационных расходов.

К преимуществам геотермальной электростанции также относится возможность использования ее побочного продукта для выполнения определенных функций. Если завод расположен на берегу моря, в частности, он часто используется для опреснения соленой воды. При таком сочетании функций вода дистиллируется, а затем используется для искусственного орошения или других полезных целей.

К недостаткам использования ГС относятся некоторые трудности и риски, связанные с их расположением в сейсмически активных зонах. Размещение сооружений такого масштаба вблизи вулканической активности всегда связано с рисками. Обычно при поиске мест для размещения станций мы стараемся выбирать участки, где подземная активность наблюдалась очень давно и в настоящее время является слабой.

Приложения

Несмотря на то, что геотермальные электростанции занимают скромное место среди других объектов генерации электроэнергии, электростанции, основанные на использовании тепла подземных источников, находят все большее применение в народном хозяйстве. Учитывая преимущества и недостатки геотермальных электростанций, рассмотренные ранее, они могут быть применены в случаях, рассмотренных ниже.

В сельском хозяйстве и садоводстве

В сельскохозяйственном секторе геотермальная электростанция может быть использована для следующих целей:

  • для обогрева растений, выращиваемых в теплицах или тепличных комплексах;
  • для ухода (в частности, полива);
  • Для отопления комплексов, где содержатся домашние животные и птицы (фермы, коровники и птичники).

Возможность использования геотермальных установок для этих целей зависит от качества и состава воды, поступающей из земли. В сельском хозяйстве и садоводстве они наиболее часто используются в таких странах, как Израиль, Гватемала, Греция, Мексика и Кения.

В промышленности и коммунальном хозяйстве

Промышленные предприятия и муниципальные коммунальные службы относятся к числу коммунальных служб, наиболее нуждающихся в независимых от возможностей источниках энергии. Геотермальная энергия способна удовлетворить эту потребность и обеспечить их достаточным количеством возобновляемых источников энергии.

Поэтому промышленность и коммунальное хозяйство считаются одними из основных потребителей в этом секторе. В промышленных масштабах геотермальная энергия производится для конкретных нужд в Новой Зеландии, России, Исландии и США.

В частном секторе

Малая геотермальная энергия может также использоваться самостоятельно для отопления дома или в качестве дополнительного отопления в частных домах, например, вместо газа. Эта система похожа на обычный кондиционер, используемый для обогрева помещений. Напротив, геотермальный источник тепла может работать при любой наружной температуре и почти не потребляет электроэнергии.

Можно построить частную геотермальную электростанцию, если в выбранном месте на подходящей глубине установить специальные коллекторы, заполненные, например, антифризом. Благодаря естественным обменным процессам они концентрируют тепло, а затем передают его в систему отопления дома. Стоимость создания такого комплекса минимальна (частный сектор должен будет оплатить только необходимое оборудование и его установку).

Миллионы лет это тепло высвобождается из недр нашей планеты, а скорость охлаждения ядра не превышает 400 °C за миллиард лет! Согласно различным источникам, температура ядра Земли в настоящее время составляет не менее 6650 °C и постепенно снижается по направлению к поверхности. 42 триллиона ватт тепла постоянно генерируется Землей, из которых только 2% находится в земной коре.

Геотермальная энергия и ее использование, перспективы развития геотермальной энергетики

В Земле заключена огромная тепловая энергия. Оценки на сегодняшний день различны, но консервативно считается, что на глубине 3 км из этого слоя можно извлечь 8 x 10 17 кДж геотермальной энергии. В то же время масштабы его реального применения в нашей стране и в мире ничтожно малы. В чем суть и каковы перспективы геотермальной энергии?

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия – это тепловая энергия земли. Энергия, высвобождаемая из естественного тепла земли, называется геотермальной энергией. В качестве источника энергии тепло Земли в сочетании с уже имеющимися технологиями может удовлетворить потребности человечества на много-много лет вперед. И дело даже не в жаре, которая находится слишком глубоко в пока еще недоступных местах.

Миллионы лет это тепло вырывается из недр нашей планеты, а скорость охлаждения ядра не превышает 400 °C за миллиард лет! Согласно различным источникам, температура ядра Земли в настоящее время составляет не менее 6650 °C и постепенно снижается к поверхности. 42 триллиона ватт тепла постоянно генерируется Землей, из которых только 2% приходится на земную кору.

Температура в недрах Земли

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

Научная точка зрения на причины этого явления заключается в том, что происхождение тепла Земли связано с продолжающимся радиоактивным распадом урана, тория и калия в недрах планеты и гравитационным разделением материи в ее ядре.

Гранитный слой земной коры, находящийся на глубине 20 000 метров и более, является основной областью радиоактивного распада на континентах, в то время как для океанов наиболее активным слоем является верхняя мантия. Ученые считают, что на континентах, на глубине около 10 000 метров, температура в основании земной коры составляет около 700 °C, в то время как в океанах эта температура достигает лишь 200 °C.

Два процента геотермальной энергии, которая поступает из земной коры, составляет 840 миллиардов ватт, и это технологически осуществимо. Лучшие места для использования этой энергии находятся вблизи краев континентальных плит, где кора намного тоньше, и в районах сейсмической и вулканической активности – там, где земное тепло проявляется очень близко к поверхности.

Где и в какой форме встречается геотермальная энергия?

В настоящее время активно используется геотермальная энергия: США, Исландия, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Сальвадор, Венгрия, Япония, Россия, Мексика, Кения и другие страны, где тепло из недр Земли поднимается на поверхность в виде пара и горячей воды с температурой до 300°C.

Выдающимися примерами являются знаменитые гейзеры Исландии и Камчатки, а также знаменитый Йеллоустонский национальный парк, расположенный в американских штатах Вайоминг, Монтана и Айдахо и занимающий площадь почти 9000 кв. км.

Говоря о геотермальной энергии, важно помнить, что это в основном низкопотенциальная энергия, т.е. низкая температура воды или пара, выходящего из скважины. А это существенно влияет на эффективность использования такой энергии.

Дело в том, что для современного производства электроэнергии экономически целесообразно, чтобы температура теплоносителя была не ниже 150°C. В этом случае она направляется непосредственно в турбину.

Существуют установки, использующие воду более низкой температуры. Геотермальная вода нагревает теплоноситель (например, фреон), который имеет низкую температуру кипения. Образующийся пар вращает турбину. Однако мощность таких электростанций невелика (10 – 100 кВт), поэтому стоимость энергии будет выше, чем в электростанциях, использующих высокотемпературную воду.

Геотермальная электростанция в Новой Зеландии

Геотермальные электростанции в Новой Зеландии

Геотермальные резервуары – это пористые горные породы, заполненные горячей водой. По сути, это природные геотермальные котлы.

Что если вода, используемая на поверхности земли, не сбрасывается, а возвращается в котел? Создать систему циркуляции? В этом случае используется не только тепло термальной воды, но и окружающих горных пород. Такая система увеличит общий объем в 4-5 раз. Проблема загрязнения окружающей среды минерализованной водой устраняется, так как она возвращается в подземный горизонт.

Тепло в виде горячей воды или пара подается на поверхность, где оно используется либо непосредственно для обогрева зданий и жилых помещений, либо для выработки электроэнергии. Кроме того, полезным является тепло земной поверхности, которое обычно получают путем бурения скважин, где градиент увеличивается на 1°C на каждые 36 метров.

Для утилизации этого тепла используются тепловые насосы. Горячая вода и пар используются для выработки электроэнергии и непосредственно для отопления, а тепло – сконцентрированное глубоко в отсутствии воды – преобразуется в полезную форму тепловыми насосами. Аналогичным образом извлекается энергия магмы и тепло, которое накапливается под вулканами.

В целом, существует несколько стандартных способов выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях, но опять же, либо напрямую, либо по схеме, аналогичной тепловому насосу.

В простейшем случае пар просто подается по трубопроводу на турбину электрогенератора. В более сложной системе пар проходит предварительную обработку, чтобы растворенные вещества не повредили трубы. В смешанной системе растворенные газы удаляются после конденсации пара в воду.

Наконец, существует бинарная схема, в которой теплоносителем (для отбора тепла и для вращения турбины генератора) является другая жидкость с низкой температурой кипения (схема теплообменника).

Наиболее перспективными являются вакуумно-водяные и хлоридно-литиевые абсорбционные тепловые насосы. Первые повышают температуру термальной воды, используя электричество в вакуумно-водяном насосе.

Вода из скважины с температурой 60 – 90 °C подается в вакуумный испаритель. Полученный пар сжимается турбокомпрессором. Давление выбирается в зависимости от желаемой температуры теплоносителя.

Если вода подается непосредственно в систему отопления, она составляет 90-95 °C; если она подается в сеть централизованного теплоснабжения, она составляет 120-140 °C. В конденсаторе сжатый пар отдает свое тепло воде, циркулирующей в сетях централизованного теплоснабжения, системах отопления и горячего водоснабжения.

Каковы другие возможности для расширения использования геотермальной энергии?

Одним из направлений является эксплуатация в значительной степени истощенных месторождений нефти и газа.

Известно, что старые месторождения разрабатываются методом заводнения, то есть в скважины закачивается вода, которая вытесняет нефть и газ из пор месторождения.

Во время добычи пористые пласты заполняются водой, которая принимает температуру окружающих пород, и таким образом пласты становятся геотермальным котлом, из которого можно одновременно добывать нефть и получать воду для отопления.

Конечно, необходимо пробурить дополнительные скважины и создать систему циркуляции, но это обойдется гораздо дешевле, чем строительство нового геотермального месторождения.

Другая возможность заключается в извлечении тепла из сухой породы путем создания искусственных проницаемых зон. Суть метода заключается в создании пористости в сухой породе с помощью взрывов.

Отбор тепла из таких систем происходит следующим образом: бурятся две скважины на некотором расстоянии друг от друга. Вода закачивается в одну из скважин и проходит через поры и трещины в другой, извлекая тепло из породы, нагревая ее и выводя на поверхность.

Такие пилотные системы уже действуют в США и Англии. В Лос-Аламосе (США) две скважины, одна глубиной 2 700 м, а другая 2 300 м, соединены методом гидроразрыва пласта и заполнены циркулирующей водой, нагретой до 185 °C. В Англии вода в карьере Роузмениус нагревается до 80 °C.

Геотермальная электростанция

Глобальное тепло как источник энергии

Недалеко от итальянского города Ларедерелло есть линия электропоезда, использующая в качестве источника энергии сухой пар из скважины. Эта система функционирует с 1904 года.

Гейзерные поля в Японии и Сан-Франциско – два других известных места в мире, где также используется сухой горячий пар для выработки электроэнергии. Что касается влажного пара, то более обширные месторождения находятся в Новой Зеландии, а небольшие – в Японии, России, Сальвадоре, Мексике и Никарагуа.

Если рассматривать геотермальное тепло как источник энергии, то его запасы в десятки миллиардов раз превышают годовое потребление энергии человечеством во всем мире.

Всего 1% тепловой энергии земной коры, извлеченной с глубины 10 000 метров, было бы достаточно, чтобы заменить запасы ископаемого топлива, такого как нефть и газ, которые человечество постоянно добывает, что приводит к необратимому истощению и загрязнению окружающей среды.

В этом виноваты экономические соображения. При этом геотермальные электростанции имеют очень низкий уровень выбросов углекислого газа – около 122 кг на мегаватт-час произведенной электроэнергии, что намного ниже, чем выбросы от электростанций, работающих на ископаемом топливе.

Промышленные геотермальные электростанции и перспективы развития геотермальной энергетики

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

В 1975 году общая установленная мощность геотермальных электростанций в мире составляла 1278 МВт, а к 1990 году – уже 7300 МВт. США, Мексика, Япония, Филиппины и Италия являются крупнейшими производителями геотермальной энергии.

Олкария IV в Кении

Первая геотермальная электростанция в СССР была построена на Камчатке в 1966 году, ее мощность составляла 12 МВт.

С 2003 года в России действует Мутновская геоэлектростанция, которая в настоящее время имеет мощность 50 МВт и является самой мощной геоэлектростанцией в России на сегодняшний день.

Крупнейшей в мире геотермальной электростанцией является Olkaria IV в Кении мощностью 140 МВт.

Геотермальная энергия и ее применение

В будущем весьма вероятно, что тепловая энергия магмы будет использоваться в тех регионах планеты, где она находится не слишком глубоко под поверхностью, а также тепловая энергия нагретых кристаллических пород, когда холодная вода закачивается в пробуренную скважину глубиной несколько километров, а горячая вода или пар возвращаются на поверхность, после чего вырабатывается тепло или электричество.

В связи с этим возникает вопрос: почему в настоящее время в эксплуатации находится так мало геотермальных энергетических проектов? В первую очередь потому, что они находятся в удобных местах, где вода либо сама выливается на поверхность, либо очень мелкая. В таких случаях нет необходимости бурить глубокие скважины, которые являются самой дорогой частью разработки геотермальной энергии.

Использование термальной воды для теплоснабжения значительно выше, чем для производства электроэнергии, но и оно все еще невелико и не играет существенной роли в энергетическом секторе.

Геотермальная энергия делает только первые шаги, и текущие исследования и пилотные проекты должны дать ответ о масштабах ее дальнейшего развития.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в своих социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Закон о водяных скважинах в частных домах и коттеджах 2021

Области применения

Эксплуатация геотермальной энергии началась в 19 веке. Первым был опыт итальянцев, живущих в провинции Тоскана, которые использовали теплую родниковую воду для отопления. Они также использовали его для бурения новых скважин.

Тосканская вода богата бором и при испарении превращалась в борную кислоту, котлы работали на тепле собственных вод. В начале 20-го века (1904 год) тосканцы пошли дальше и создали электростанцию, работающую на пару. Пример Италии стал важным опытом для США, Японии и Исландии.

Сельское хозяйство и садоводство

Геотермальная энергия используется в сельском хозяйстве, здравоохранении и быту в 80 странах мира.

Первое, для чего использовалась и используется термальная вода, – это обогрев теплиц и оранжерей, что позволяет собирать урожай овощей, фруктов и цветов даже зимой. Теплая вода также полезна для полива.

Выращивание растений на гидропонике считается перспективным направлением для сельхозпроизводителей. Некоторые рыболовные хозяйства используют подогретую воду в искусственных прудах для выращивания мальков и рыбы.

Эти технологии используются в Израиле, Кении, Греции и Мексике.

Промышленность и коммунальные услуги

Более века назад горячий тепловой пар уже был основой для выработки электроэнергии. С тех пор он обслуживает промышленность и коммунальные службы.

В Исландии 80% домов отапливаются термальной водой.

Были разработаны три схемы производства электроэнергии:

  1. Непосредственно, с помощью пара.
    Самый простой: используется там, где есть прямой доступ к геотермальному пару.
  2. Непрямой, с использованием воды, а не пара.
    Вода подается в испаритель, технически преобразуется в пар и направляется в турбогенератор.

Вода требует дополнительной очистки, так как содержит агрессивные соединения, которые могут повредить работающие механизмы. Отработанный пар, который еще не успел охладиться, подходит для целей отопления.

  1. Смешанный (бинарный).
    Вода заменяет топливо, которое нагревает другую жидкость с более высокой теплоотдачей. Это приводит в движение турбину.

Бинарная система с геотермальной энергией

США, Россия, Япония, Новая Зеландия, Турция и другие страны используют гидротермальную энергию.

Геотермальные системы отопления дома

Для отопления домов подходит теплоноситель, нагретый до температуры от +50°C до 600°C – геотермальная энергия отвечает этим требованиям. Города с несколькими десятками тысяч жителей могут отапливаться за счет тепла земной коры. Например: город Лабинск в Краснодарском крае отапливается природным топливом.

Геотермальная энергия для жилого сектора

Нет необходимости тратить время и энергию на нагрев воды или строительство котельной. Теплоноситель берется непосредственно из источника гейзера. Эта же вода подходит и для горячего водоснабжения. В первом и втором случаях он проходит необходимую техническую и химическую предварительную обработку.

Полученная таким образом энергия в два-три раза дешевле. В настоящее время существуют установки для частных домов. Они стоят дороже традиционных топливных котлов, но в процессе эксплуатации оправдывают понесенные затраты.

Геотермальная энергия для отопления дома

Самостоятельное изучение теоретического материала

Урок 25: Тепловая энергия. Производство и использование тепловой энергии человеком

Тепловая энергия – Форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других молекул, составляющих тело. Тепло, как и работа, не является формой энергии, а лишь средством передачи энергии.

Тепловая энергия, получаемая из природных источников или из добытого топлива, называется – – тепловой энергией. Первичная тепловая энергия.

Вторичная тепловая энергия – это энергия, произведенная в результате человеческой деятельности.

Первичная и вторичная литература, относящаяся к теме урока

  1. Технология. 5 класс: Учебник для организации общего образования / В.М. Казакевич, Г.В. Пичугина, Г.Ж. Семенова и др. М. Казакевич. – М.: Просвещение, 2017.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Все тела состоят из атомов и молекул. Эти частицы находятся в непрерывном неупорядоченном движении. Хаотичное движение атомов и молекул говорит о том, что тело обладает тепловой энергией.

Чем больше скорость атомов и молекул тела, тем больше тепловой энергии оно имеет.

Первые люди добывали огонь, растирая или ударяя друг о друга кусочки кремния. Таким образом они увеличивали скорость атомов и молекул до такой степени, что дерево или мох воспламенялись.

В процессе увеличения скорости атомов и молекул выделяется тепловая энергия. Эта энергия необходима для отопления домов в холодное время года. Тепловая энергия необходима для приготовления пищи. С помощью этой энергии производится многое из того, что необходимо человеку: выплавка металлов из руд, обжиг глиняных горшков, резка и сварка металлов и пластмасс.

Тепловая энергия может быть естественной и вторичной.

Естественными источниками тепловой энергии для человека являются солнце и нагретый грунт земли. Солнце передает энергию через видимое и невидимое излучение. Раскаленные недра Земли выбрасывают очень горячую магму, раскаленные газы и кипящие потоки воды.

Большая часть тепловой энергии производится путем сжигания различных видов топлива: древесины, торфа, угля, газа, нефти, нефтепродуктов.

Полученная таким образом тепловая энергия используется для нагрева, испарения, плавления, разогрева и других технологических процессов.

Тепловая энергия, полученная в результате сжигания всех этих энергоресурсов, называется первичной тепловой энергией и является основным источником энергии во всех странах мира.

Вторичная тепловая энергия – это та энергия, которая возникает в результате деятельности человека. Он нагревается за счет вентиляционных выбросов из жилых домов, подземных туннелей, промышленных зданий, тепловых электростанций. Это сжигание бытовых отходов. Вторичная тепловая энергия обеспечивается отработанным горячим паром, водой, газами от промышленных производственных установок, например, теплоэлектростанций, действующих доменных и мартеновских печей.

С 1950-х годов ядерная энергия используется в качестве источника тепловой энергии. При определенных условиях атомные ядра металлического урана распадаются с выделением очень большого количества тепловой энергии.

Например, при сжигании 1 грамма древесины выделяется столько энергии, сколько требуется для горения 100-ваттной лампочки в течение 1 минуты. Количество энергии, получаемой при сжигании 1 грамма угля, достаточно, чтобы сжечь 100-ваттную лампочку за 2 минуты. При распаде ядер урана масса одного грамма уранового топлива выделяет энергию, достаточную для освещения домов и улиц города с населением 60 000 человек в течение одного часа. Реакция деления ядер урана была освоена. В нашей стране и во многих других странах построены атомные электростанции.

Читайте далее:
Сохранить статью?