Среди альтернативных источников геотермальная энергия занимает значительное место – ее так или иначе используют примерно в 80 странах по всему миру. В большинстве случаев это происходит на уровне строительства теплиц, бассейнов, применения в качестве лечебного средства или отопления.
В нескольких странах – в том числе США, Исландии, Италии, Японии и других — построены и работают электростанции.
Геотермальная энергия в целом подразделяется на две разновидности – петротермальную и гидротермальную. Первый тип использует как источник горячие горные породы. Второй — подземные воды.
Если свести все данные по теме в одну диаграмму, обнаружится, что в 99% случаев используется тепло пород, и только в 1% геотермальная энергия извлекается из подземных вод.
Петротермальная энергетика
На настоящий момент в мире достаточно широко используется тепло земных недр, причем преимущественно это энергия неглубоких скважин – до 1 км. С целью обеспечения электричеством, теплом или ГВС устанавливаются скважинные теплообменники, работающие на жидкостях с низкой температурой кипения (например, на фреоне).
Сейчас использование скважинного теплообменника является наиболее рациональным способом добычи тепла. Выглядит это так: теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре. Нагретый поднимается по концентрично опущенной трубе, отдавая свое тепло, после чего, охлажденный, при помощи насоса подается в обсадную.
В основе использования энергии земных недр лежит природное явление – по мере приближения к ядру Земли растет температура земной коры и мантии. На уровне 2-3 км от поверхности планеты она достигает более 100 °С, в среднем увеличиваясь с каждым последующим километром на 20 °С. На глубине 100 км температура достигает уже 1300–1500 ºС.
Дальнейший потенциал
Наработанный базис знаний и практики становится фундаментом для будущих достижений. Пока рано говорить о полном замещении традиционных запасов, поскольку не до конца изучены термальные зоны и методы добычи энергоресурсов. Для более быстрого развития требуется больше внимания, финансовых инвестиций.
Пока общество знакомится с возможностями, медленно двигается вперед. По экспертным оценкам лишь 1 % мировой электроэнергии добывается данным фондом. Возможно, будут разработаны комплексные программы развития отрасли на глобальном уровне, проработаны механизмы и средства достижения целей. Энергия недр способна решить экологическую проблему, ведь с каждым годом вредных выбросов в атмосферу становится больше, загрязняются океаны, оказывается тоньше озоновый слой. Для быстрого и динамичного развития отрасли нужно убрать основные препятствия, тогда она во многих странах станет стратегическим плацдармом, способным диктовать условия на рынке и поднимет уровень конкурентоспособности.
Гидротермальная энергетика
Вода, циркулирующая на больших глубинах, нагревается до значительных величин. В сейсмически активных районах она поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, в спокойных же регионах ее можно вывести с помощью скважин.
Принцип действия тот же: нагретая вода поднимается по скважине вверх, отдает тепло, и возвращается по второй трубе вниз. Цикл практически бесконечен и возобновляем до тех пор, пока в земных недрах остается тепло.
В некоторых сейсмически активных регионах горячие воды лежат так близко к поверхности, что можно воочию наблюдать, как работает геотермальная энергия. Фото окрестностей вулкана Крафла (Исландия) демонстрирует гейзеры, которые передают пар для действующей там ГеоТЭС.
Немного истории
Идею использовать собранный пар геотермальных источников впервые высказал в начале XIX века французский инженер и предприниматель Франсуа де Лардерель.
Первая в мире ГеоЭС в Лардерелло
Спустя почти 100 лет, в 1904 году итальянский бизнесмен Пьеро Конти впервые в городке Лардерелло испытал геотермальный генератор. Там же через семь лет была запущена первая в мире геотермальная электростанция (ГеоЭС), работающая, кстати, по сегодняшний день.
Пьеро Конти и его геотермальный генератор
Основные черты геотермальной энергетики
Внимание к альтернативным источникам обусловлено тем, что запасы нефти и газа на планете не бесконечны, и постепенно исчерпываются. Кроме того, они есть не везде, и многие страны зависят от поставок из других регионов. Среди иных важных факторов – негативное влияние ядерной и топливной энергетики на среду обитания человека и дикую природу.
Большое достоинство ГЭ – возобновляемость и универсальность: возможность использовать для водо- и теплоснабжения, или для выработки электроэнергии, или для всех трех целей сразу.
Но главное – это геотермальная энергия, плюсы и минусы которой зависят не столько от местности, сколько от кошелька заказчика.
Внутренняя энергия Земли
Она появилась вследствие нескольких процессов, главные из которых — аккреция и радиоактивность. По мнению ученых, становление Земли и ее массы произошло за несколько миллионов лет, причем произошло это вследствие образования планетезималей. Они слипались, соответственно, масса Земли становилась все больше. После того как наша планета стала иметь современную массу, но еще была лишена атмосферы, на нее беспрепятственно падали метеорные и астероидные тела. Этот процесс как раз и называется аккрецией, и приводил он к тому, что выделялась значительная гравитационная энергия. И чем большие по размеру тела попадали на планету, тем в большем объеме выделялась энергия, содержащаяся в недрах Земли.
Эта гравитационная дифференциация привела к тому, что вещества стали расслаиваться: тяжелые вещества просто тонули, а легкие и летучие всплывали. Дифференциация сказывалась также и на дополнительном выделении гравитационной энергии.
Достоинства и недостатки ГЭ
В числе преимуществ этого вида энергии следующие:
- она возобновляемая и практически неиссякаемая;
- независима от времени суток, сезона, погоды;
- универсальна — с ее помощью можно обеспечить водо- и теплоснабжение, а также электричество;
- геотермальные источники энергии не загрязняют окружающую среду;
- не вызывают парникового эффекта;
- станции не занимают много места.
Однако имеются и недостатки:
- геотермальная энергия не считается полностью безвредной из-за выбросов пара, в составе которого могут быть сероводород, радон и другие вредные примеси;
- при использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования – из-за химического состава такую воду нужно сливать либо обратно в глубокие слои, либо в океан;
- постройка станции относительно дорога – это удорожает и стоимость энергии в итоге.
Новое время – новые идеи
Конечно, люди не останавливаются на достигнутом, и с каждым годом предпринимается все больше попыток найти новые способы получения энергии. Если энергия тепла земли получается достаточно просто, то некоторые способы не так просты. Например, в качестве источника энергии вполне можно использовать биологический газ, который получается при гниении отходов. Его можно применить для отапливания домов и нагревания воды.
Все чаще возводятся приливные электростанции, когда поперек устьев водоемов устанавливаются плотины и турбины, которые приводятся в действие приливами и отливами, соответственно, получается электроэнергия.
Сельское хозяйство и садоводство
Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу оранжерей, теплиц, установок аква- и гидрокультуры. Подобный подход применяется в нескольких государствах – Кении, Израиле, Мексике, Греции, Гватемале и Теде.
Подземные источники применяются для полива полей, обогрева почвы, поддержания постоянной температуры и влажности в оранжерее или теплице.
Краткие выводы
- Динамика роста ВИЭ во всем мире положительна, и составляет около 20% ежегодно на протяжении последних 10-15 лет.
- Энергия из альтернативных возобновляемых источников становится дешевле. Уже сегодня во многих регионах мира ту или иную ее разновидность использовать выгоднее, чем традиционные виды топлива.
- Возобновляемая энергетика гарантирует принципиальную невозможность исчерпания ее запасов.
- Переход на ВИЭ благотворно влияет на экологию. Особенно заметно это в больших городах и наиболее загрязненных регионах планеты.
- В перспективе полный отказ от ископаемых видов топлива поможет сэкономить в масштабах планеты более 13,8 триллиона долларов в год только на медицинских расходах. Прежде всего, это относится к кардинальному уменьшению заболеваний верхних дыхательных путей, кровеносной системы, а также развитию рака.
Промышленность и ЖКХ
В ноябре 2014 года в Кении начала работать крупнейшая на то время геотермальная электростанция мира. Вторая по размерам находится в Исландии – это Хеллишейди, берущая тепло от источников возле вулкана Хенгидль.
Другие страны, использующие геотермальную энергию в промышленных масштабах: США, Филиппины, Россия, Япония, Коста-Рика, Турция, Новая Зеландия и т. д.
Известны четыре основные схемы добывания энергии на ГеоТЭС:
- прямая, когда пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами;
- непрямая, аналогичная предыдущей во всем, за исключением того, что перед попаданием в трубы пар очищается от газов;
- бинарная – в качестве рабочего тепла используется не вода или пар, а другая жидкость, имеющая низкую температуру кипения;
- смешанная – аналогична прямой, но после конденсации здесь удаляют из воды не растворившиеся газы.
В 2009 году группа исследователей, искавшая пригодные к использованию геотермальные ресурсы, достигла расплавленной магмы всего на глубине 2,1 км. Подобное попадание в магму – большая редкость, это всего второй известный случай (предыдущий произошел на Гавайях в 2007 году).
Хотя соединенная с магмой труба ни разу не подключалась к находящейся неподалеку ГеоТЭС Крафла, ученые получили весьма многообещающие результаты. До сих пор все работающие станции брали тепло опосредованно, из земных пород либо из подземных вод.
Производство электроэнергии
Горячие источники, гейзеры служат основным компонентами в производстве электричества. Для этого применяется несколько схем, сооружаются специальные электростанции. Устройство ГТС:
- Бак ГВС
- Насос
- Газоотделитель
- Паросепаратор
- Генерирующая турбина
- Конденсатор
- Повысительный насос
- Бак – охладитель
Как видим основным элементом схемы, является паровой преобразователь. Это позволяет получать очищенный пар, так как в нем содержатся кислоты, разрушающие оборудование турбин. Существует возможность применение смешанной схемы в технологическом цикле, то есть вода и пар участвуют в процессе. Жидкость проходит всю стадию очистки от газов, так же как и пар.
Частный сектор
Одна из наиболее перспективных сфер – частный сектор, для которого геотермальная энергия – это реальная альтернатива автономного газового отопления. Самая серьезная преграда здесь – при довольно дешевой эксплуатации высокая начальная стоимость оборудования, которая значительно выше, чем цена установки «традиционного» отопления.
Свои разработки для частного сектора предлагают компании MuoviTech, Geodynamics Ltd, Vaillant, Viessmann, Nibe.
Расчеты
Основными параметрами, которые учитываются при любых расчетах, являются:
- температура (глубина от 15-20 м и больше прогревается от 8 до 100 градусов в зависимости от создающихся условий);
- значение извлекаемой мощности (средний показатель – 0,05 кВт на 1 м);
- влияние климата, влажности и контакта с грунтовыми водами на теплоотдачу.
Интересное Актуальная проблема
Что весьма интересно, полностью сухие породы отдают не более 25 Вт с 1 м, а если есть грунтовые воды, этот показатель вырастает до 100-110 Вт. Нельзя забывать, что стандартным временем работы теплового насоса является 1800 часов за год. Если превысить этот показатель, система не станет более эффективной, зато износ ее стремительно вырастет. Что гораздо хуже, чрезмерная эксплуатация теплового ресурса недр приводит к их остыванию и даже к промерзанию пород на рабочей глубине. Вслед за этим может проседать грунт, иногда повреждаются рабочие трубы и надземные сооружения.
Страны, использующие тепло планеты
Безусловным лидером в использовании георесурсов является США – в 2012 году выработка энергии в этой стране достигла отметки 16.792 миллиона мегаватт-часов. В том же году, суммарная мощность всех геотермальных станций на территории Штатов достигала 3386 МВт.
ГеоТЭС на территории США расположены в штатах Калифорния, Невада, Юта, Гавайи, Орегон, Айдахо, Нью-Мехико, Аляска и Вайоминг. Самая крупная группа заводов носит название «Гейзеры» и расположена неподалеку от Сан-Франциско.
Кроме Соединенных Штатов, в первой десятке лидеров (по состоянию на 2013 год) также находятся Филиппины, Индонезия, Италия, Новая Зеландия, Мексика, Исландия, Япония, Кения и Турция. При этом в Исландии геотермальные источники энергии обеспечивают 30% от всей потребности страны, на Филиппинах – 27%, а в США – меньше 1%.
Процесс теплоснабжения
Температура воды 50 -60 градусов, является оптимальной для отопления и горячего снабжения жилого массива. Нужда в отопительных системах зависит от географического расположения и климатических условий. А в потребностях ГВС люди нуждаются постоянно. Для этого процесса сооружаются ГТС (геотермальные тепловые станции).
Если для классического производства тепловой энергии используется котельная, потребляющая твёрдое или газовое топливо, то при данном производстве используется гейзерный источник. Технический процесс очень простой, те же коммуникации, тепловые трассы и оборудование. Достаточно пробурить скважину, очистить её от газов, далее насосами направить в котельную, где будет поддерживаться температурный график, а после она попадёт в теплотрассу.
Главное отличие в том, что нет необходимости использовать топливный котлоагрегат. Это существенно снижает себестоимость тепловой энергии. Зимой абоненты получают тепло и горячее водоснабжение, а летом только ГВС.
