Как в России будут использовать тепловую энергию недр земли
Он подчеркнул, что геотермальная энергетика может развиваться не только на Камчатке и Курилах, как принято считать. Огромные перспективы у нее на территории Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна (особенно в Томской области), на всем Дальнем Востоке, Кавказе, Краснодарском крае и Ставрополье. Причем, по его словам, развитие геотермальной энергетики во многом связано с диверсификацией активов нефтегазовых компаний, ведь в геотермальных технологиях возможно эффективно реализовывать опыт нефтегазовой отрасли
По некоторым прогнозам, геотермальная энергетика в будущем может обеспечить до шестой части мирового энергоснабжения. Она не зависит, как солнечная и ветровая энергетика, от смены дня и ночи, времен года, а также от погодных условий.
На сегодняшний день в России работает четыре геотермальные электростанции, три на Камчатке и одна в Сахалинской области, на острове Кунашир (Курильские острова), общей установленной мощностью 81,4 МВт. Для сравнения, установленная мощность электростанций Единой энергосистемы (ЕЭС) России, то есть не считая изолированных систем — 247601,8 МВт. То есть в случае с геотермальной энергетикой в России идет речь даже не о десятых, а о сотых долях процента. Мировыми лидерами в ее развитии по мощности являются США — 3700 МВт, а по доле в энергобалансе — Исландии, в которой на геотермальную энергетику приходится 30%.
По словам участников заседания у России нет особых проблем с оборудованием для геотермальных станций. Оно все локализовано, есть лишь некоторый дефицит отечественных турбогенераторов и эти технологии нужно будет разрабатывать. При этом самых современных геотермальных электростанций — бинарных, с замкнутым контуром работы, большей мощности и низкими затратами на строительство, то в России их пока нет.
Пока у геотермальных проектов нет поддержки регулятора, а без нее рассчитывать на бурное развитие геотермальной энергетики не приходится. Кроме того, есть некоторые законодательные барьеры, препятствующие ее развитию. Также на заседании прозвучала идея разработать государственную программу развития геотермальной энергетики.
Что касается эксплуатации геотермальных станций, то большим плюсом их является возможность обеспечивать потребителей не только электричеством, но и тепловой энергией. Например, на Камчатке, где есть определенный дефицит газа. По словам директора департамента инноваций «РусГидро» Дениса Малкова, для изолированных от единой энергосистемы районов Дальнего Востока цена будет вполне приемлема, в два-три раза ниже, чем при работе котельных на угле, мазуте или дизельном топливе и сопоставима со стоимостью генерации тепла на газе.
Глубоко под Землей очень жарко: как поднять эту древнюю энергию на поверхность
Древние греки верили, что под землей есть царство мертвых, и на самой его глубине ужасно холодно. В подземное ледяное озеро отправил отъявленных грешников и Данте в «Божественной комедии». Существует ли ад, наукой не доказано, но точно известно, что под землей скрывается не холод, а жар. На дне 12-километровой Кольской скважины датчики зафиксировали 230 градусов, но даже менее нагретые недра можно использовать как источник тепла и электричества.
Геотермальная «печка»
Ученые задумались о том, как использовать тепло недр Земли, полтора века назад. Наладить работу такой «печки» получилось в 1892 году: в мире появилось первое геотермальное отопление, а в 1911-м построили первую геотермальную электростанцию.
Казалось бы, пробурил скважину в любой точке земной поверхности, «докопался» до нагретых горных пород и подземных вод — и получил долгоиграющий «обогреватель». Однако на пути к подземному жару есть препятствия, которые пока не дают геотермальной энергетике заменить все другие источники энергии.
Как измерить жар Земли
Жар Земли — это геотермальная энергия. Она делится на гидротермальную и петротермальную: в первом случае энергия исходит от разогретых горных пород, во втором — от жидкостей и газов, которые нагреваются о породу. Сегодня используют в основном тепло жидкостей и газов — применять тепло горячих пород сложнее и дороже.
Не каждый участок земли подходит для устройства геотермальной станции. Энергетикам необходимо сначала узнать геотермический градиент — количество градусов, на которые растет температура каждые 100 или 1000 метров глубины. На нашей планете с каждым километром вглубь температура недр в среднем повышается на 25–30 градусов. На глубинах 3–4 километров, которых достигают нефтегазовые скважины, температура недр составляет около 100 градусов.
Наиболее привлекательны для геотермальной энергетики территории, где вообще не надо копать. Тепло Земли в таких местах само выходит на поверхность в виде горячей воды и пара — это тектонически активные зоны с разломами в земной коре. В России к ним относятся Камчатка, Курильские острова, Кавказ и некоторые районы у Байкала. Горячую воду из земных глубин можно запускать сразу в отопительные трубы: такой способ геотермального теплоснабжения почти сто лет назад стали использовать на Кавказе.
Почему внутри Земли так жарко? По одной версии, причиной возникновения тепла стало сжатие газопылевого облака, из которого около 4,5 миллиарда лет назад образовалась наша планета. Постепенно облако разделялось на ядро, мантию и кору, и эти процессы сопровождались выделением тепловой энергии. Сегодня от пыла и жара древности осталось не так уж много: ядро разогрето примерно до пяти тысяч градусов, а на глубине 100 километров температура понижается до 1300–1500 градусов. Другая гипотеза возникновения высокой внутренней температуры Земли — радиоактивный распад долгоживущих нестабильных элементов: урана, тория и калия. Еще одна версия называет первопричиной жары трение жидких слоев внешнего земного ядра друг о друга, о внутреннее ядро и мантию.
Подземную энергию можно превратить в электричество. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) такой же, как у любой теплоэлектростанции: турбину вращает нагретый пар, и механическая энергия превращается в электрическую. Сейчас около 90% всех мощностей геотермальных электростанций и выработки геотермальной электроэнергии в мире приходится на Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо .
Первые ГеоЭС в России построили на Камчатке в 1965–1967 годах. Это до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции. Мощность последней — 600 киловатт, она стала прототипом для строительства сотен подобных станций по всему миру. Сегодня в России работают четыре ГеоЭС, крупнейшая — Мутновская на Камчатке.
Когда пар поступает на турбину из недр, схема работы ГеоЭС называется прямой. Другая схема, непрямая, самая распространенная: горячую подземную воду нагнетают в испаритель, и получившийся пар вращает турбину. Третья схема — смешанная: горячая вода из глубин нагревает вещество с менее высокой температурой кипения (например, изопентан кипит при 28 градусах), и оно превращается в пар, а дальше вы знаете.
Согреться и сэкономить
Чтобы получить земное тепло и сократить затраты, можно бурить скважины в местах, где недра нагреты до высоких температур на небольших глубинах: 1–2 километра. Такие территории есть в Ленинградской области, Прибайкалье и Забайкалье, южной части Западной Сибири и Северо-Восточной Сибири.
Еще проще, если скважины уже пробурены, например для добычи нефти и газа. Тогда «попутное тепло» может стать дополнительным бонусом. Для поиска подземных термальных источников можно использовать технологии геологов, разведывающих запасы нефти. Часто термальные источники находят рядом с палеозойской нефтью — ее залежи сформировались, когда на Земле хозяйничали трилобиты и цвели морские лилии.
геолог «Газпром нефти»
Мы детально изучили геологическое строение отложений с нефтью, образовавшихся больше 210 миллионов лет назад, и обнаружили, что в центральных частях пород палеозойской эры могли сформироваться бассейны горячей воды.
Месторождения углеводородов в разогретых подземной энергией зонах используют в Западной Сибири, в районе Воркуты, в предгорьях Кавказа, на Сахалине.
На сегодня доля геотермальной энергетики в мировом производстве электроэнергии составляет 0,4%, в России это лишь 0,04%. Даже при ускоренном развитии геотермальная энергия в ближайшие годы не заменит основные источники — уголь, нефть и газ, доля которых в производстве электричества больше 60%.
Будущее геотермальной энергетики: возобновляемая энергия из недр Земли
Эксперт: Игорь Валигун — окончил РХТУ им. Менделеева по специальности инженер-эколог, специалист по возобновляемым источникам энергии (тепловые насосы), кандидат экономических наук в области возобновляемой энергетики.
Как можно использовать геотермальную энергию
Геотермальную энергию особенно актуально использовать там, где есть природные подземные термальные воды, вулканическая активность и гейзеры. Даже в условиях северного климата — на территории Сибири и Дальнего Востока. Тепловые установки с геотермальными насосами могут использоваться в бизнесе, в промышленности, для частных потребителей — обогревать школы, детские сады, жилые дома. Извлекать геотермальную энергию можно при помощи геотермальных электростанций и геотермальных установок с тепловыми насосами.
Есть два типа геотермальных установок. Первые используют горячие источники (гейзеры, вулканы) с температурой от 100 до 1300 ºC. Второй тип — это установки, которые используют низкопотенциальное тепло земли.
Горячие источники
Примерно половина из всех действующих в мире геотермальных электростанций работает на месторождениях сухого пара от термальных подземных вод. Но их количество невелико, и почти все они расположены там, где есть гейзеры и термальные воды: в России таких мест немного — на Камчатке, в Западной Сибири (Омская, Новосибирская область), в Дагестане. Эффективность и привлекательность такой энергии, безусловно, очень велика: чистый, бесплатный и неиссякаемый источник тепла — звучит как фантастический прогноз самых смелых футурологов.
Геотермальные электростанции используют прямой способ добычи тепла из подземных вод. Он довольно прост: вода закачивается насосами через трубы, проложенные в скважинах. Проходя по этим трубам, вода нагревается и превращается в пар под давлением, который на выходе из земли попадает на лопасти паротурбинных установок (ПТУ) и вращает их. При этом ПТУ вырабатывают электрическую энергию, а пар опять превращается в воду, которая уходит под землю на нагрев, и цикл повторяется.
ГеоТЭС построены на Камчатке, в Исландии, Кении, Новой Зеландии — везде, где есть относительно доступный источник высокой температуры (>100 ºC — так как воду необходимо превратить в пар). И при этом пар легкодоступен — не требуется крайне дорогостоящее бурение скважин на многие километры вглубь земной коры. Например, на Паужетской ГеоТЭС (Камчатский край) используются скважины глубиной от 366 м до 1205 м.
Разумеется, горячий пар на ГеоТЭС может служить источником тепла для котельных, и применяться для отопления близлежащих с ГеоТЭС поселков и городов, что делает теплоснабжение очень доступным и экологичным.
Тепло земли
Но не везде на территории России есть вулканы и гейзеры. Поэтому используется и второй тип геотермальных установок с низкопотенциальным теплом земли. Ведь на глубине в 8–10 м температура никогда не падает ниже +4–10 ºC (в зависимости от региона). Соответственно зимой на улице −20 ºC, а под землей +5 ºC. Тепловой насос извлекает это тепло из-под земли, концентрирует его и передает в систему отопления зданий в виде тепла с температурой 45–75 ºC.
Геотермальные установки с тепловыми насосами обычно не используют для выработки электрической энергии, чаще их применяют непосредственно для отопления зданий. Тепловой насос забирает тепло/энергию из любых источников низкопотенциального тепла (воды, воздуха, земли с невысокой температурой
5–8 ºC) и концентрирует его, а потом передает для отопления зданий.
Газификация поселений в России составляет примерно 70%, и на оставшихся 30% территории использование систем отопления на базе геотермальных насосов может быть чуть ли не единственной альтернативой дровам, поскольку ни энергия солнца, ни энергия ветра не способны полностью отапливать здания. Для отопления более эффективными являются насосы «почва—вода»: они забирают тепло почвы и передают его воде, циркулирующей в системе отопления зданий.
Для забора тепла из почвы или грунтовой воды используется так называемый первичный теплообменный контур: он представляет собой закольцованную трубу, проложенную в почве с циркулирующим по ней хладагентом (чаще всего раствором спирта в воде). Проходя через слой земли (или грунтовой воды) хладагент нагревается до 4–8 ºC, и фактически «приносит» тепло для теплового насоса. Тепловой насос посредством фреона и компрессора превращает 4–8 ºC в 45–70 ºC (то есть концентрирует), и отдает это тепло воде, циркулирующей в трубах системы отопления здания.
Такие установки могут быть как малыми (рассчитанными на малоэтажное и коттеджное строительство — и их сейчас большинство), так и рассчитанными на обогрев многоэтажных строений. Последнее все же пока редкость — на территории РФ есть несколько пилотных проектов.
Опыт использования в бизнесе и сельском хозяйстве
Геотермальные установки использовались в СССР в южных районах для снабжения теплом теплиц и для обогрева прудов (аквакультуры) и бассейнов. С 1966 года успешно работали системы теплоснабжения на основе геотермальных установок в городах Махачкала, Кизляр, Избербаш и других населенных пунктах Дагестана. В 1969 году при помощи геотермальных установок обеспечивались теплом 15 га теплиц в Махачкале.
В 1985 году годовая добыча геотермальной воды в Краснодарском крае достигла 8,5 млн м³, отапливались жилые дома в семи населенных пунктах и 30 га теплиц. Геотермальный теплоноситель вначале поступал на отопление зданий, затем в теплицы для выращивания помидоров, огурцов, лимонов. Далее при температуре 30 ºС геотермальная вода поступала в рыборазводные пруды.
В 1990-е вся эта инфраструктура пришла в запустение. Работы единственного в России Института геотермальных проблем Российской академии наук в Махачкале были не востребованы. Государство и бизнес сделали ставку на углеводороды, не развивая возобновляемые источники энергии.
Как на этом заработать?
В настоящее время, в условиях резкого роста цен на энергоносители и огромной инфляции, возрождается интерес к геотермальной энергетике, но на развитие проектов в этой сфере нужны время и средства. Волна интереса к геотермальной энергетике снова поднимается: можно получить субсидирование по федеральному проекту «Чистый воздух», в рамках которого государство частично компенсирует переход на более экологичные виды источников тепла.
Потенциал использования геотермальной энергии в промышленности довольно большой: особенно на юге РФ. В 2015 году на Ханкальском месторождении (Чеченская Республика) для теплоснабжения 3 га теплиц была построена геотермальная система теплоснабжения мощностью 8,7 МВт с реинжекцией отработанного теплоносителя. Кроме того, тепловые насосы можно использовать в качестве кондиционеров летом, так как температура на глубине в несколько метров под землей меньше, чем у воздуха. Таким образом достигается экономия на дополнительной установке кондиционеров.
Плюсы геотермальной электроэнергетики
- Высокая экологичность. В сравнении с традиционной углеводородной энергетикой практически полностью отсутствуют выбросы парниковых газов, главный из которых — углекислый газ, получаемый в результате сгорания ископаемого топлива (уголь, нефть, газ).
- Возобновляемость. Неиссякаемый источник энергии (использование
Минусы геотермальной электроэнергетики
- Высокие капитальные затраты. Как на сам тепловой насос, так и на бурение скважин. Стоимость теплового насоса — от ₽250 тыс. Для сравнения: электрический котел стоит от ₽15 тыс., газовый котел для частного дома — от ₽60 тыс., не считая подводки газа до дома (что в отдельных случаях занимает годы, и может быть намного дороже всего геотермального проекта).
Иногда затраты на бурение скважин для первичного контура теплового насоса составляют более 50% от стоимости всего проекта. По данным Всемирного банка, стоимость проведения геологоразведочных работ и программы начального экспериментального бурения трех-пяти геотермальных скважин составляет от $20 до 30 млн.
Низкий КПД системы для традиционных батарей отопления. В случае, если необходимо получать высокую температуру во вторичном контуре, тепловые насосы показывают меньшую эффективность в сравнении с традиционными системами отопления. Таким образом, они лучше сочетаются с популярной сейчас системой отопления «теплый пол»: где требуется, чтобы теплоноситель имел температуру 45 ºС, чем с традиционными батареями, система которых требует, чтобы теплоноситель был 75 ºС.
В случае с тепловыми насосами КПД тем выше, чем меньше разница температур на входе в тепловой насос и на выходе из него. Например, при прочих равных условиях, сравним зиму в Париже и в Подмосковье. Температура воздуха в Париже зимой около -3 ºС, а температура земли +10 ºС, разница — 13 ºС. Зимой в Подмосковье температура воздуха, в среднем, -15 ºС, а температура почвы всего лишь +5 ºС, разница — 20 ºС. И если мы возьмем два одинаковых частных дома, на отопление которых потребуется скажем 12 кВт тепловой энергии в час, то в Париже нам нужно будет ставить менее мощную модель насоса, а значит компрессор будет потреблять меньше электричества, понадобится делать меньше скважин в земле, а значит длина труб и объем спиртового хладагента будет меньше, чем в России. Таким образом, при прочих равных условиях, затраты на получение 1 кВт тепловой энергии в РФ выше, чем в Европе. Но это не означает, что тепловые насосы нецелесообразно применять в РФ, просто капитальные вложения будут больше. Их целесообразно применять там, где нет возможности подвести газ.
Геотермальная энергия в других странах
По данным Всемирного банка, общемировой потенциал геотермальной энергетики составляет от 70 до 80 ГВт. Однако в настоящее время для производства электроэнергии в мире используется лишь 15% известных запасов геотермальной энергии, и суммарная мощность этих установок равна всего 13 ГВт.
Геотермальную энергию активно используют в США и Китае — эти страны сейчас бесспорные лидеры в данном направлении, но их уже догоняет Япония. Успешно используются геотермальные источники для получения энергии на Филиппинах, в Индонезии и Новой Зеландии.
США финансируют строительство геотермальной электростанции в Никарагуа, которая должна покрыть потребность страны в энергии на 20%. Отчасти успех геотермальных электростанций связан все же с более мягкими климатическими условиями в этих странах.
Но есть и пример Исландии — северной страны с суровым климатом. Первая в мире геотермальная электростанция, работающая в промышленных масштабах, была запущена именно там в 2014 году. Она построена на вулканическом кратере и получает энергию из магмы Земли (в этом месте магма подходит к поверхности максимально близко, температура там достигает сотни градусов по Цельсию). Поэтому скважины на этой станции не глубокие — всего 2 км.
Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс
Дано: внутри Земли имеется горячее ядро, с его помощью нужно выработать электричество.
Вопрос: как это сделать?
Ответ: построить геотермальную электростанцию.
Разбираемся, как именно, откуда под землёй пар и много ли пользы от такой электростанции.
Самый старый и самый популярный на сегодняшний день метод получения электричества в промышленных масштабах — это вращение турбины генератора мощным потоком горячего пара от вскипевшей из-за принудительного разогрева воды. Если вдуматься, то и в угольной ТЭС, и в современной АЭС суть работы сводится к кипячению воды с той лишь разницей, что в ТЭС для этого сжигается уголь, а в реакторе АЭС её кипятят нагревающиеся в результате управляемой цепной реакции ТВЭЛы.
Но зачем греть воду, если в некоторых местах она поступает из-под земли уже горячей? Нельзя ли использовать её напрямую? Можно: в 1904 году итальянец Пьеро Джинори Конти запустил первый генератор, работавший от пара естественных геотермальных источников, в изобилии присутствующих в Италии. Так появилась первая в мире геотермальная электростанция, которая работает до сих пор.
Впрочем, чтобы обеспечить геотермальной электростанции приемлемые КПД и стоимость, нужна вода определённой температуры, находящаяся не глубже определённого уровня. Если вы захотите построить геотермальную электростанцию (скажем, на своём дачном участке), вам для начала придётся заняться бурением скважин до водоносных слоёв, где вода под огромным давлением разогревается до 150-200 °C и готова выйти на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Ну а далее, подобно электростанциям на ископаемом топливе, поступающий пар будет вращать турбину, которая приведёт в действие генератор, вырабатывающий электричество. Использовать естественное тепло планеты для получения пара — это и есть геотермальная энергетика. А теперь перейдём к деталям.
Немного о тепле Земли
Температура поверхности твёрдого ядра Земли на глубине около 5100 км равна примерно 6000 °C. При приближении к земной коре температура постепенно снижается.
Понятный график изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1
Так называемый геотермический градиент — изменение температуры на определенном участке земной толщи, — в среднем составляет 3 °C на каждые 100 метров. То есть в шахте на глубине 1 км будет стоять тридцатиградусная жара —кто бывал в такой шахте, это подтвердит. Но в зависимости от региона температурный градиент меняется — например, в Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 км была зафиксирована температура 220 °C, а в некоторых местах планеты, у тектонических разломов и зонах вулканической активности, для достижения аналогичных температур достаточно пробурить от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 км. В американском штате Орегон геотермический градиент 150 °C на 1 км, а в Южной Африке всего 6 °C на 1 км. Отсюда вывод: где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь (перед началом работ убедитесь, что ваш дачный участок находится в подходящем месте). Как правило, подходящие места те, где сильная геологическая активность — часто происходят землетрясения и имеются действующие вулканы.
Виды геотермальных электростанций
В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии имеется в наличии (скажем, в вашем ДСК), вы будете выбирать тип электростанции. Разберёмся, какие они бывают.
Гидротермальная станция
Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет понятна даже ребенку: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Всё действительно так просто, если нам повезло найти подходящий источник пара.
ГеоТЭС прямого цикла. Источник: Save On Energy
Если из имеющейся у вас в наличии скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор будет отделять пар от воды — пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины.
Если вашему дачному посёлку не повезло с горячими источниками — например, если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, — а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения.
ГеоТЭС бинарного цикла. Источник: Save On Energy
Петротермальная станция
Разогретые подземные источники — весьма редкое явление в масштабах планеты, как вы, наверное, могли заметить, что резко ограничивает потенциальную область внедрения геотермальной энергетики, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячей глубине земной коры нет воды, значит, ее нужно туда закачать. Петротермальный принцип подразумевает закачку воды в глубокую скважину с разогретой породой, где жидкость превращается в пар и возвращается обратно на турбину электростанции.
Упрощенная схема петротермальной электростанции
Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну с поверхности будет подаваться вода, чтобы от тепла пород превратиться в пар и выйти через другую скважину. А далее процесс получения электроэнергии будет полностью аналогичен гидротермальной станции.
Естественно, соединить под землей на глубине нескольких километров две скважины нереально — вода между ними сообщается за счет разломов, образующихся в результате закачивания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв). Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.
В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.
Преимущества геотермальной энергетики
Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.
Неисчерпаемость. Электростанции на ископаемом топливе — природном газе, угле, мазуте — сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики. Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (в результате действий человека, по крайней мере). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за 1 млрд лет. Не стоит беспокоиться о том, что человечество способно ускорить этот процесс бурением скважин и закачкой туда воды — падение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2·1020 кВт·ч энергии, что в миллионы раз больше ежегодного потребления электроэнергии всем человечеством.
Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света — нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер — вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.
Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой — задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.
Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 — даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной — 1340 м2.
Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.
Возможность параллельной добычи полезных ископаемых. Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.
Недостатки геотермальной энергетики
Рабочая жидкость опасна. Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар — это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.
Результат воздействия геотермальной воды на металлы.
При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.
Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения: ТЭС — $1000/кВт, ветряки — $1600/кВт, солнечная электростанция — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.
Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов.
Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.
Гидротермальная комбинированная станция комплекса The Geysers в Калифорнии. И таких там 22. Источник: Wikimedia / Stepheng3
Где всё это работает и насколько это перспективно
По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Да, не геотермальная революция, но рост налицо.
Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении — и вовсе 51%! Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС.
Первая геотермальная электростанция, «Мацукава», открылась в Японии в 1966 году. Она вырабатывала 23,5 МВт, а турбину и генератор для неё произвела Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в странах Африки, где началось активное заключение контрактов и строительство ГеоТЭС. В 2015 году в Кении была открыта станция Olkaria IV, одна из четырёх, находящаяся в зоне Олкария в 120 км от Найроби, с мощностью 140 МВт. С ее помощью правительство снижает зависимость от гидроэлектростанций, сброс воды из которых часто приводит к разрушительным наводнениям.
ГеоТЭС Olkaria IV в Кении. Olkaria V и Olkaria VI планируют ввести в строй в 2021 году. Источник: Toshiba
ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.
В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.
Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт — первая бинарная ГеоТЭС в мире.
Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.
На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика — это наш задел на будущее, раскрыть потенциал которого в полной мере нам еще только предстоит.