Геотермальная энергия — что это такое?

Геотермальная энергетика — откуда берется энергия?

Основные источники энергии, используемые сегодня, полностью обеспечивают все текущие потребности населения. Однако, согласно расчетам ученых, уже через 20 лет человечество начнет ощущать нехватку энергии. Это произойдет из-за постоянно возрастающих потребностей населения и, в особенности, промышленных предприятий. К тому времени заметно истощатся такие источники, как угольные нефтяные и газовые месторождения, а гидроэнергетические сооружения уже сегодня значительно изношены и нуждаются в поддержке со стороны.

Ученые видят выход в использовании альтернативных (солнечная и ветровая энергетика) или возобновляемых видов энергии (ВИЭ), одной из разновидностей которых является геотермальная энергетика.

Согласно результатов исследований, температура земного ядра составляет около 6000°С. По мере приближения к земной коре она понемногу снижается. Скорость охлаждения земного ядра составляет около 400°С за миллиард лет, что позволяет не беспокоиться о том, что источник иссякнет. Причиной такого нагрева считается постоянная реакция радиоактивного распада элементов, составляющих значительную часть земного ядра урана, тория, радиоактивного калия.

Использование этого тепла человеком пока значительно ограничено, поскольку технологические возможности низки и не позволяют получать энергию в любой географической точке. На сегодня используются только термоаномальные зоны, где имеются точки выхода на поверхность горячих пород или водных источников.

Различают следующие типы источников тепловой энергии:

• поверхностные, находящиеся на глубинах нескольких десятков метров
• подземные гидротермальные резервуары
• парогидротермальные участки
• петротермальные системы, обладающие «сухим» теплом горных пород
• магматические участки, где к поверхности подходят расплавленные горные массивы

Основными типами геотермальных источников являются участки с теплоносителями (вода или пар) и с сухими нагретыми горными породами. Рассмотрим их внимательнее.

Петротермальная энергетика

Петротермальная энергетика основана на получении энергии с помощью подземного тепла, полученного от горячих горных пород. Технологически это направление еще не отработано, поскольку для получения энергии требуется иметь доступ к нагретым горным породам, а они даже в регионах с повышенным температурным градиентом залегают на глубине около 2 км от поверхности. Поэтому на сегодня используются только близкие к поверхности, по сути — аномальные участки земной коры с выходом на поверхность горячих массивов.

При появлении технологической возможности бурить на глубины 8-10 км, сооружать геотермальные электростанции (ГеоТЭС) будет можно в любой точке, где это необходимо.

Получение электроэнергии планируется путем закачки в подземные полости воды, превращающейся в перегретый пар. Он выводится под давлением на поверхность, где подключается к турбинным установкам, производящим электроэнергию. Сложность заключается в необходимости большой площади контакта, чтобы получать достаточные мощности. Предполагается использование подземных разломов, систем трещин и прочих полостей с высокими температурами.

Гидротермальная энергетика

Это направление активно используется уже сегодня. Страны, имеющие на своей территории участки с богатыми горячими источниками, используют их для обогрева жилья и получения электроэнергии.

Наиболее заметными пользователями в этом направлении являются:

• Исландия
• Новая Зеландия
• США
• Мексика
• Япония
• Италия
• Сальвадор

В зависимости от характера источников, температуры и мощности подземных процессов, устанавливаются электростанции, производится подключение городских отопительных сетей к подземным резервуарам с горячей водой, находящейся под давлением. Температура пара, пригодного для выработки электроэнергии в промышленных масштабах, должна составлять как минимум 200°С, что возможно не везде. Практически, все существующие ныне электростанции, использующие геотермальную энергию, являются особенными, работающими в отдельных уникальных условиях.

Принципы работы геотермальных электростанций

Геотермальные электростанции используют либо горячие горные породы для нагрева закачиваемой в подземные полости воды, либо естественные горячие источники, уже существующие в толще земли. Перегретый пар, образующийся в результате геотермальных процессов, выводится на поверхность земли и задействует лопатки турбин паровых электрогенераторов.

Изложенный принцип верно отражает схему, но на практике все обстоит намного сложнее. Во-первых, состав пара, выводимого из подземных емкостей, сложен и насыщен агрессивными и ядовитыми газами и соединениями. Во-вторых, количество выводимого носителя должно пополняться закачкой свежих объемов, иначе будет нарушен гидродинамический баланс, отчего функционирование источника может быть нарушено или вовсе прекратится.

В зависимости от типа источника существуют следующие типы ГеоТЭС:

• сооружения, установленные на природных источниках горячего пара или воды (парогидротермах)
• двухконтурные ГеоТЭС, использующие горячий водяной пар из источника и вторичный пар, полученный от подведенной и нагретой воды
• двухконтурные ГеоТЭС, использующие перегретую воду естественного происхождения

Конструкция каждой конкретной установки специализирована под местные условия, температуры и состав воды или пара. В большинстве случаев используются теплообменники, забирающие тепло у выведенного из подземных полостей носителя, который после этого закачивается обратно. Используются различные циклы очистки пара от ядовитых или агрессивных примесей, сернистых соединений, сероводорода и других веществ.

Достоинства ГеоТЭС

К достоинствам гидротермальных электростанций можно отнести:

• источник энергии практически неисчерпаем
• не используются углеводородные источники энергии
• сооружение ГеоТЭС не меняет природный ландшафт, не требует использования больших площадей поверхности земли
• необходимость во внешнем источнике энергии присутствует только на момент запуска оборудования. Как только станция дает первый ток, она обеспечивает свою работу самостоятельно
  никаких вложений, кроме первоначальных расходов на строительство, не имеется. Требуются лишь обслуживание и ремонт оборудования по необходимости
• существуют возможности дополнительного использования оборудования станции (например, в качестве опреснителей воды)
• экологическая чистота, отсутствие опасности заражения или загрязнения местности (этот пункт действует с определенными оговорками)

Недостатки

• привязка станции к точке выхода на поверхность горячих источников, иногда находящихся в удаленных районах
• эксплуатация ГеоТЭС способствует изменениям в ходе естественных природных процессов, в результате чего появляется опасность их прекращения
• скважины или иные точки выхода могут стать источниками выбросов вредных или агрессивных летучих соединений
• расходы на постройку станции достаточно велики, что способствует возрастанию стоимости энергии для конечного пользователя

Основная причина наличия указанных недостатков — неустойчивость естественных процессов для промышленного использования. Любое вмешательство способно нарушить хрупкое равновесие, а в гидродинамических системах опасность возрастает из-за появления возможности образования карстовых полостей. Эксплуатация ГеоТЭС требует аккуратного и бережного отношения к природным системам, возобновления объемов воды и прочих профилактических мероприятий.

Сферы применения

Геотермальная энергия на сегодняшний день не имеет преобладающего значения, но используется вполне активно. В регионах, где это возможно, создаются ГеоТЭС, станции обогрева жилья или производственных зданий и помещений. Рассмотрим наиболее популярные сферы использования геотермальной энергии:

Сельское хозяйство и садоводство

Доступ к нагретой воде или пару позволяет применять их в сельскохозяйственных или садоводческих комплексах и хозяйствах. Производится обогрев и полив растений, сельскохозяйственных культур в теплицах, оранжереях. Возможен обогрев сельскохозяйственных комплексов по содержанию и разведению животных, птицы. Возможности данного направления во многом зависят от характеристик источника, его специфических параметров и состава воды. Активное использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве наблюдается в Израиле, Мексике, Кении, Греции Гватемале.

Промышленность и ЖКХ

Для использования геотермальной энергии промышленность и сфера ЖКХ являются наиболее удобными потребителями. Они нуждаются в стабильном и устойчивом источнике энергии, не зависящем от времени суток или других внешних проявлений. Добыча электроэнергии с помощью ГеоТЭС в промышленных масштабах производится в США, России, Новой Зеландии, Филиппинах, Исландии и других странах.

Постоянно происходит ввод в строй новых мощностей. Так, в 2014 году в Кении запущена самая мощная на тот момент ГеоТЭС. В Исландии находится вторая по величине станция — Хеллишейди. Кроме электроэнергии, используется обогрев жилья нагретыми подземными водами. В той же Исландии таким образом обогревается около 80% жилья и общественных зданий.

Геотермальные системы отопления для дома

Геотермальная энергия может быть использована как централизованным, так и частным порядком. Существуют геотермальные системы отопления для частных домов, действующие автономно и не использующие носители из централизованных сетей.

Используется принцип кондиционера, работающего в режиме обогрева. Отличие в том, что кондиционер прекращает нагрев при температуре наружного воздуха около -5°С, а для геотермальных установок такого ограничения не существует. Под землей устанавливаются коллекторы, в которых циркулирует антифриз. Он поглощает тепловую энергию и возвращается в жилое помещение нагретым, где через теплообменник греет теплоноситель системы отопления. Возможности этого способа обогрева велики, а расходы идут только на первичный монтаж установки и оплату электроэнергии для циркуляционного оборудования.

Крупнейшие производители геотермальной энергии

Самым крупным производителем геотермальной энергии в мире по праву считается Исландия. Ее доля в общем количестве составляет около 30%, что значительно превышает объемы выработки других государств.

На втором месте находятся Филиппины, где производят 27% от общего количества. Сальвадор и Коста-Рика вырабатывают по 14%, Кения дает 11,2%, а Никарагуа — 10% геотермальной энергии. Заметный вклад привносят Индонезия и Мексика — соответственно 3,7% и 3%.

Эти государства лидируют в производстве геотермальной энергии, что обусловлено наличием у них богатых и мощных источников, обилием вулканических проявлений или подземных гидротермальных источников. Примечательно, что существуют регионы, имеющие большой потенциал в отношении гидротермальных ресурсов, но практически не использующие их из-за достаточного количества других источников энергии.

Перспективы освоения геотермальных ресурсов в России

Энергоизбыточность России, основанная на обилии гидроэнергетических сооружений, понемногу снижается. Если не принимать серьезные меры уже сегодня, может наступить момент, когда объемы выработки энергии снизятся до критических величин. Возможности использования геотермальной энергии в России невелики, поскольку наличие горячих источников и их мощность не позволяют делать основную ставку на этот вид энергии. Тем не менее, в регионах, обладающих такими возможностями, использование геотермальной энергетики является одним из приоритетных направлений.

Ведутся серьезные исследования состояния источников, их объемы, рассматриваются перспективы и возможные последствия от работы геотермальных электростанций. На сегодня существующие геотермальные станции сосредоточены, в основном, на Камчатке и Сахалине, но, с развитием технологий, количество и мощность российских ГеоТЭС будут существенно увеличены.

Рекомендуемые товары

Как вам статья?