Геотермальная энергия и ее использование, перспективы геотермальной энергетики

Внутри Земли содержится огромная тепловая энергия. Оценки здесь пока довольно разные, но по самым скромным подсчетам, если ограничиться глубиной 3 км, то из этого слоя может быть извлечено 8 х 10 17 кДж геотермальной энергии. В то же время масштабы ее реального применения у нас в стране и во всем мире незначительны. В чем здесь дело и каковы перспективы использования геотермальной энергетики?

Геотермальная энергия — энергия тепла Земли. Энергия, выделяемая из естественного тепла Земли, называется геотермальной энергией. В качестве источника энергии, тепло Земли, в сочетании с уже имеющимися технологиями, могло бы обеспечить потребности человечества на долгие-долгие годы. И это даже не касаясь тепла, находящегося слишком глубоко, в недосягаемых пока областях.

Миллионы лет из недр нашей планеты выделяется это тепло, причем скорость остывания ядра не превышает 400 °C за миллиард лет! При этом температура ядра Земли, по разным данным, составляет на данный момент не менее чем 6650 °C, и постепенно уменьшается по направлению к ее поверхности. 42 триллиона ватт тепла постоянно выделяются Землей, лишь 2% от которых приходятся на кору.

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

Научная точка зрения на причины данного явления, заключается в том, что происхождение тепла Земли связано с постоянно идущим процессом радиоактивного распада урана, тория и калия в недрах планеты, а также с гравитационной сепарацией вещества в ее ядре.

Гранитный слой земной коры, на глубине от 20000 метров, является основной областью радиоактивного распада на континентах, а для океанов наиболее активным слоем является верхняя мантия. Ученые считают, что на континентах, на глубине порядка 10000 метров, температура подошвы коры составляет около 700 °C, тогда как в океанах температура достигает лишь 200 °C.

Два процента геотермальной энергии, приходящихся на земную кору, постоянно составляют 840 миллиардов ватт, и это технологически доступная энергия. Наилучшие места для извлечения этой энергии — области близ краев континентальных плит, где кора значительно тоньше, а также районы сейсмической и вулканической активности — где земное тепло проявляет себя очень близко к поверхности.

Где и в каком виде проявляется геотермальная энергия

На данный момент освоением геотермальной энергии активно занимаются: США, Исландия, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Сальвадор, Венгрия, Япония, Россия, Мексика, Кения и другие страны, где тепло из недр планеты поднимается к поверхности в форме пара и горячей воды, вырывающихся наружу, при температурах достигающих 300 °С.

В качестве ярких примеров можно привести знаменитые гейзеры Исландии и Камчатки, а также известный Йеллоустонский национальный парк, расположенный на территории американских штатов Вайоминг, Монтана и Айдахо, занимающий площадь почти в 9000 квадратных километров.

Говоря о геотермальной энергии, очень важно помнить, что в основном она является низкопотенциальной, то есть температура воды или пара, выходящих из скважины, невысока. А это существенно сказывается на эффективности применения такой энергии.

Дело в том, что для производства электроэнергии сегодня экономически целесообразно иметь температуру теплоносителя не ниже 150 °С. В этом случае он направляется непосредственно в турбину.

Есть установки, использующие воду более низкой температуры. В них геотермальная вода нагревает теплоноситель второго контура (например, фреон), имеющий низкую температуру кипения. Образовавшийся пар вращает турбину. Но мощности подобных установок невелики (10 — 100 кВт), а потому стоимость энергии будет выше, чем на электростанциях, использующих воду с высокой температурой.

ГеоЭС в Новой Зеландии

Геотермальные месторождения — это пористые породы, заполненные горячей водой. По существу — они представляют собой природные геотермальные котлы.

А что если воду, отработавшую на поверхности земли, не сбрасывать, а возвращать в котел? Создать циркуляционную систему? В этом случае будет использоваться не только теплота термальной воды, но и окружающих горных пород. Такая система позволит увеличить общее ее количество в 4—5 раз. Снимается вопрос о загрязнении окружающей среды минерализованными водами, поскольку они возвращаются в подземный горизонт.

В форме горячей воды или пара тепло доставляется на поверхность, где используется либо напрямую для обогрева зданий и домов, либо для генерации электрической энергии. Кроме того полезно и поверхностное тепло Земли, до которого добираются, как правило, путем бурения скважин, где градиент возрастает на 1 °C с каждыми 36 метрами.

Для освоения этого тепла используются тепловые насосы. Горячая вода и пар служат для генерации электроэнергии и для отопления напрямую, а теплота сосредоточенная глубоко в отсутствии воды — преобразуется в полезный вид тепловыми насосами. Энергия магмы и теплота которая накапливается под вулканами, — извлекаются аналогичными путями.

Вообще, существует ряд стандартных способов получения электроэнергии на геотермальных электростанциях, но опять же — либо напрямую, либо по схеме похожей на тепловой насос.

В простейшем случае пар просто направляется через трубопровод на турбину электрогенератора. В усложненной схеме — пар предварительно очищается, чтобы растворенные вещества не разрушали трубы. В смешанной схеме — растворенные в воде газы устраняют после конденсации пара в воду.

Наконец, существует бинарная схема, где теплоносителем (для забора тепла и для вращения турбины генератора) выступает другая жидкость с низкой температурой кипения (схема с теплообменником).

Наиболее перспективными считаются вакуум-водяные и хлористо-литиевые абсорбционные тепловые насосы. Первые повышают температуру термальной воды за счет расхода электроэнергии в вакуум-водяном насосе.

Вода из скважины с температурой 60 — 90 °С поступает в вакуумный испаритель. Образовавшийся пар сжимается турбокомпрессором. Давление выбирается в зависимости от того, какая требуется температура теплоносителя.

Если вода идет непосредственно в систему отопления, то это 90 — 95 °С, если в тепловые районные сети, то 120 — 140 °С. В конденсаторе сжатый пар отдает свое тепло воде, циркулирующей в городских тепловых сетях, системах отопления и горячего водоснабжения.

Какие еще существуют варианты, чтобы расширить масштабы применения геотермальной энергетики?

Одно из направлений связано с использованием в значительной мере выработанных нефтяных и газовых месторождений.

Как известно, добыча этого сырья в старых месторождениях ведется методом заводнения, то есть в скважины закачивается вода, которая вытесняет нефть и газ из пор коллектора.

По мере выработки пористые коллекторы заполняются водой, приобретающей температуру окружающих горных пород, и таким образом месторождения превращаются в геотермальный котел, откуда одновременно можно добыть нефть и получать воду для теплоснабжения.

Конечно, приходится бурить дополнительные скважины и создавать циркуляционную систему, но это обойдется значительно дешевле, чем при освоении нового геотермального месторождения.

Еще один вариант — отбор тепла от сухих пород с помощью образования искусственных проницаемых зон. Суть метода в том, чтобы создать с помощью взрывов в сухих породах пористость.

Извлечение теплоты из таких систем ведется следующим образом: на определенном расстоянии друг от друга бурятся две скважины. В одну закачивается вода, которая, двигаясь ко второй по образовавшимся порам и трещинам, отбирает от пород тепло, нагревается, а затем поднимается на поверхность.

Такие опытные системы уже действуют в США и Англии. В Лос-Аламосе (США) две скважины — одна глубиной 2700 м, а другая — 2300 м соединены при помощи гидроразрыва и заполнены циркулирующей водой, нагревающейся до температуры 185 °С. В Англии на карьере Розмениуз вода нагревается до 80 °С.

Тепло планеты как энергетический ресурс

Возле итальянского города Ларедерелло проходит электрическая железная дорога, источником электроэнергии для которой служит сухой пар из скважины. Система работает с 1904 года.

Поля гейзеров в Японии и в Сан-Франциско — два других известных места в мире, где также используется сухой горячий пар для генерации электроэнергии. Что касается влажного пара, то более обширные его поля — в Новой Зеландии, и меньшие по площади — в Японии, России, Сальвадоре, Мексике, Никарагуа.

Если рассмотреть геотермальную теплоту как энергетический ресурс, то его запасы в десятки миллиардов раз превышают годовое потребление энергии человечеством во всем мире.

Всего 1% тепловой энергии земной коры, взятой с глубины в 10000 метров, хватило бы чтобы перекрыть в сотни раз запасы ископаемого топлива, такого как нефть и газ, непрерывно добываемых человечеством, что приводит к необратимому истощению недр и к загрязнению окружающей среды.

Виной всему экономические причины. А ведь геотермальным электростанциям свойственен весьма умеренный уровень выбросов углекислого газа, примерно 122 кг на мегаватт-час полученной электроэнергии, что значительно меньше выбросов, имеющих место при производстве электроэнергии с использованием ископаемого топлива.

Промышленные ГеоЭС и перспективы геотермальной энергетики

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

По состоянию на 1975 год общая установленная мощность ГеоЭС в мире составляла 1278 МВт, а в 1990 уже 7300 МВт. Наибольшие объемы освоения геотермальной энергии приходятся на США, Мексику, Японию, Филиппины и Италию.

Первая ГеоЭС на территории СССР была возведена на Камчатке в 1966 году, ее мощность составила 12 МВт.

Начиная с 2003 года в России работает Мутновская ГеоЭС, мощность которой сейчас составляет 50 МВт — это самая мощная в России ГеоЭС на данный момент.

Крупнейшей в мире ГеоЭС является Olkaria IV в Кении, ее мощность составляет 140 МВт.

В перспективе видится весьма вероятным использование тепловой энергии магмы в тех регионах планеты, где она находится не слишком глубоко под поверхностью Земли, а также тепловой энергии разогретых кристаллических пород, когда в выбуренную скважину глубиной в несколько километров закачивают холодную воду, а на поверхность возвращают горячую воду или пар, а дальше получают отопление или генерацию электроэнергии.

Возникает вопрос — почему на данный момент так мало реализованных проектов использования геотермальной энергии? Прежде всего потому, что они размещены в благоприятных местах, где вода либо сама изливается на поверхность земли, либо расположена весьма неглубоко. В таких случаях не нужно бурить глубокие скважины, а ведь именно они — самая дорогостоящая часть освоения геотермальной энергии.

Масштабы использования термальных вод для теплоснабжения значительно больше, чем для производства электроэнергии, однако и они пока малы и не играют значительной роли в энергетике.

Г еотермальная энергетика делает лишь первые шаги и проводящиеся исследования, опытно-промышленные работы должны дать ответ о масштабах ее дальнейшего развития.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Плюсы и минусы геотермальной энергетики

Кто не мечтает хотя бы раз в жизни найти клад. И мало кто подозревает, что драгоценные ресурсы находятся прямо у нас под ногами. Мы владеем величайшим богатством – геотермальной энергией.

Геотермальная энергия – тепло, исходящее из земли, это естественный, возобновляемый ресурс для производства электричества. Тепло Земли по объемам неисчерпаемо, оно в миллионы раз превышает все энергетические ресурсы вместе взятые.

Даже 1% энергии Земли заменяет не одну сотню электрических станций. Осталось только научиться использовать ее.

Геотермальная энергия – одна из самых перспективных в мире.

Геотермальные источники энергии

Геотермальная энергетика не изобретена человеком. Тепловой энергией наделен сам земной шар с момента возникновения планеты.

Нередко нагретые от природы подземные водоемы располагаются очень близко к поверхности. В таком случае геотермальное тепло визуально определяется невооруженным глазом. Это извергающаяся лава вулканов, геотермальные источники – гейзеры.

Преимущества геотермальной энергии в том, что запасы такого тепла в 10 раз превышают запасы органических ископаемых, основного топлива планеты.

Особенности использования геотермальной энергии

В теории неисчерпаемых ресурсов энергии планеты хватит на нужды человеческой цивилизации. Но на практике мы встречаем проблемы с добычей и переработкой геотермальной энергии. Так первоначальные вложения составляют от 200 до 5000 долларов на 1КВт мощности.

Плюсом считается бесплатный теплоноситель. Для сравнения на ТЭС и АЭС затраты на энергопотребление составляют от 50 до 80%.

Геотермальная энергетика: откуда берется энергия?

Применение геотермальной энергии отталкивается от исходной температуры. Теплоноситель, нагретый естественным образом до +30 – +1000С пригоден для отопления без дополнительной трансформации. Вода, пар высокой температуры применяются для выработки электричества.

Принцип работы термальной электростанции похож на устройство ТЭС. Рабочим элементом в обоих случаях служит нагретый пар. А вот методы нагрева различаются. На теплоэлектростанциях воду в пар превращают, используя для нагрева уголь, мазут или природный газ. Термальные установки и теплоноситель берут уже готовым.

Петротермальная энергетика

Верхние слои почвы прогреваются или промерзают естественным образом под воздействием солнечного тепла или при его отсутствии. Играют роль и другие внешние факторы.

Чуть глубже температура держится на одном уровне независимо от солнечной активности. Это ощущали многие, кто спускался в пещеры или подземелья.

Основную роль начинает играть раскаленное земное ядро. Геотермальная энергетика основана на увеличении температуры Земли по мере погружения внутрь. Температура в среднем увеличивается на 2,5 0С каждые 100 метров. В горнодобывающих шахтах жарко, температура держится в пределах 300С.

Суть петротермальной энергетики:

Чтобы получить тепло из недр земли бурят две скважины. В одну закачивают воду. Под воздействием температуры она испаряется, пар перетекает во вторую скважину, из которой извлекается уже в виде электроэнергии.

При кажущейся простоте геотермальная энергетика остро ставит проблему рентабельности. Сложность заключается в подъеме глубинного тепла на поверхность и использовании отработанной воды.

Гидротермальная энергетика

Иногда проблему добычи геотермальной энергии решает сама природа. Нагретые вода или пар – естественный теплоноситель – выходят на поверхность или залегают на небольшой глубине. При этом их температура хоть не на много, но выше окружающего воздуха.

Это и есть геотермальная энергия. Она пригодна для отопления, но встречается в природе реже чем петротермальная, которая присутствует везде, но добывать ее гораздо труднее.

Ресурсы гидротермальной энергии в 100 раз ниже. Соответственно, 35 и 3500 триллионов тонн топлива.

Сферы применения

Эксплуатация геотермальной энергии началась еще в XIX веке. Первым был опыт итальянцев, живущих в провинции Тоскана, которые использовали теплую воду источников для отопления. С ее же помощью работали установки бурения новых скважин.

Тосканская вода богата бором и при выпаривании превращалась в борную кислоту, бойлеры работали на тепле собственных вод. В начале XX века (1904 год) тосканцы пошли дальше и запустили электростанцию, работающую на водяном паре. Пример итальянцев стал важным опытом для США, Японии, Исландии.

Сельское хозяйство и садоводство

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

Первое, для чего применяли и применяют термальную воду, это обогрев теплиц и оранжерей, что дает возможность получать урожай овощей, фруктов и цветов даже зимой. Теплая вода пригодилась и при поливе.

Перспективным направлением у сельхозпроизводителей считается выращивание сельскохозяйственных культур на гидропонике. Некоторые рыбхозяйства используют подогретую воду в искусственных водоемах, для разведения мальков и рыбы.

Эти технологии распространены в Израиле, Кении, Греции, Мексике.

Промышленность и ЖКХ

Больше века назад горячий термальный пар уже был основой для выработки электричества. С тех пор он служит промышленности и коммунальному хозяйству.

В Исландии 80% жилья отапливаются термальной водой.

Разработано три схемы производства электричества:

Вода требует дополнительной очистки, потому что содержит агрессивные соединения, способные разрушить рабочие механизмы. Отработанный, но еще не остывший пар пригоден для нужд отопления.

Используют гидротепловую энергетику США, Россия, Япония, Новая Зеландия, Турция и другие страны.

Геотермальные системы отопления для дома

Для отопления жилья пригоден носитель тепла, нагретый до +50 – 600С, таким требованием соответствует геотермальная энергия. Города с населением в несколько десятков тысяч человек могут отапливаться теплом земных недр. В качестве примера: отопление города Лабинск Краснодарского края работает на естественном земном топливе.

Не нужно тратить силы и время на подогрев воды и строить котельную. Теплоноситель берут напрямую из гейзерного источника. Эта же вода подходит и для горячего водоснабжения. В первом и во втором случае она проходит необходимую предварительную техническую и химическую очистку.

Полученная энергия обходится вдвое-втрое дешевле. Появились установки для частных домов. Стоят они дороже, чем традиционные топливные котлы, но в процессе эксплуатации оправдывают затраты.

Крупнейшие производители геотермальной энергии

В использовании геотермальная энергия по объемам уступает другим разрабатываемым восполняемым энергетическим ресурсам. Но там, где иные полезные ископаемые отсутствуют или нет возможности их использовать, при поддержке государственных программ она получила основное развитие.

Геотермальная энергетика распространена в странах Юго-Восточной Азии, Восточной Африки и Центральной Америки.

Однако страны, использующие геотермальную энергию, есть в разных частях света.

Энергию горячих источников дают вулканизированные территории Земли. Это Камчатка и Курилы, Японские и Филиппинские острова, горные системы Кордильер и Анд.

Крупнейший на сегодня страна-производитель, которая обладает запасами геотермальной энергии, это Соединенные Штаты Америки. В Штатах построено 77 ГеоТЭС. За короткое время с момента разработок и начала эксплуатации страна стала экспортером энергии и самих технологий.

Знаменитая и самая мощная группа термальных электростанций (22 штуки) называется «Гейзерс», находится она в 100 километрах севернее Сан-Франциско. Другие промышленные энергетические зоны построены в Неваде и Калифорнии.

В Филиппинах треть электроэнергетики подземная. 3 позиция в мире принадлежит Мексике.

Освоение перспективных технологий в этом разделе энергетичекой отрасли связывают с Исландией. На ее территории почти 3 десятка действующих и потухших вулканов, что и обуславливает специализацию энергопроизводства.

Геотермальная энергия в Исландии составляет 25-30% от производимой. Энергетика страны пользуется горячими гейзерными источниками, которые здесь представлены в изобилии. Так главный город государства Рейкьявик обслуживается электростанцией такого принципа действия, а всего их в государстве пять.

Исландия – эталон экологического устройства жизни на планете, так как основную часть энергии берет из Земли, а в остальном использует возобновляемую энергию воды.

Кроме этого прирученное тепло земли помогло Исландии за короткое время из экономически отсталой страны превратиться в стабильное процветающее государство.

Перспективы освоения геотермальных ресурсов в России

Геотермальную энергетику в России использовали с середины прошлого века. Первая паровая геотермальная электростанция заработала еще в 1967 году на Камчатке (Паратунская ГеоТЭС). Камчатка для России – передовой край подобных разработок. 40% электроэнергии, производимой на Камчатке, это результат преобразования подземного тепла. Ее потенциал оценен в 5000 МВт.

Использование геотермальной энергии в России промышленным способом практикуют на 20 месторождениях. Всего их разведано 56.

Самые известные территории месторождений:

Большие запасы открыты на Кавказе: Ингушетия, Чечня, Осетия, Кабардино-Балкария, Закавказье. В Кавказском регионе используется тепловая энергия подземных вод. На Камчатке строятся геоэлектростанции.

В России тепло земных недр имеет серьезную конкуренцию – месторождения нефти, газа, каменного угля, а также лесные угодья.

Геотермальные электростанции прекрасная альтернатива традиционным методам получения энергии.

Геотермальная энергетика и дальше будет развиваться в регионах, относящихся к «огненному поясу Земли». А в будущем передовые страны направят энергопотребление в сторону освоения петротермального ресурса, который теоретически можно использовать в любой точке планеты.

Геотермальная энергия имеет прямую географическую зависимость и концентрируется в зонах с тектоническими трещинами горных массивов и сейсмической активностью. Поэтому в общей массе энергетики ее доля составляет всего лишь 1%, а в некоторых регионах повышается до 25-30%.

Технологически производство геотермальной энергии намного проще, чем выработка ветряной и солнечной электроэнергии. Дальше она будет распространяться и расти, так как имеет высокие показатели доступности и экологичности. Это при том, что альтернативные источники традиционной энергии неуклонно дорожают, рано или поздно будут исчерпаны и просто не останется иного выхода.

Геотермальные электростанции: плюсы и минусы выработки электроэнергии ГеоТЭС

Альтернативная энергетика и экология: виды и пути развития

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Тепловое загрязнение окружающей среды: источники и последствия

Достоинства и недостатки солнечной энергетики

Закон о скважинах на воду в частном доме и на даче 2021

Принцип работы волновых электростанций

Системы утилизации тепла дымовых и отходящих газов

Что такое гидроэнергия, ее источники, плюсы и минусы

Плюсы и минусы приливных электростанций

Альтернативная энергетика своими руками для дома

Основные источники загрязнения воды

геотермальная энергия занимает значительное место.

Геотермальная энергия переводится как тепло Земли.
Их строят в районах где наблюдается высокая и устойчивая сейсмическая активность, где природное тепло расположено на относительно небольшой глубине

Источник