Геотермальная энергетика: преимущества и перспективы

Поговорим про геотермальную энергетику, один из самых перспективных видов возобновляемой энергетики в мире.

Возобновляемая энергетика в мире растёт высокими темпами. Ежегодные объемы ввода новых электростанций, функционирующих на основе ВИЭ, существенно превышают рост тепловой генерации. Также и размер ежегодных инвестиций в ВИЭ-генерацию в разы превосходит вложения в газовые, угольные и атомные электростанции.

Геотермальные электростанции

• Как это работает?
• А в чём преимущества?
• Геотермальная энергетика в России
• Каковы перспективы?

При этом основной рост приходится на ветровые и солнечные электростанции, и для многих именно они стали символами ВИЭ и «зелёной» энергетики, но и геотермальные электростанции, или ГеоЭС, — также очень интересное направление, потенциал которого высок. Некоторые исследователи полагают, что в будущем геотермальная энергетика может обеспечить до 1/6 от мирового энергоснабжения.

Не в последнюю очередь из-за того, что, в отличие от солнечной или ветряной, геотермальная энергетика абсолютно не зависит от смены дня и ночи или погодных условий и времени года и имеет целый ряд других преимуществ, о которых мы и расскажем далее.

В соответствии с базой данных IRENA (Renewable capacity statistics 2019), в 2018 году глобальная установленная мощность геотермальных электростанций вросла на 540 мегаватт и составила 13 329 мегаватт.

Как это работает?

Как и во многих видах электростанций, поток горячего пара используется для вращения турбины генератора — ГеоЭС в данном случае не уникальны. И теплоэлектростанции, и, фактически, атомные электростанции используют тот же самый принцип, хотя источники энергии, которые помогают разогревать воду и вырабатывать пар, в них применяются радикально различные. ГеоЭС относятся к ВИЭ именно потому, что в качестве главной движущей силы в них используется пар или горячая вода из естественных геотермальных источников, находящихся под землёй.

С погружением в недра планеты температура будет расти примерно на 3°C каждые 100 метров спуска, хотя в различных регионах Земли этот показатель (так называемый геотермический градиент) может отличаться. Это значит, что некоторые места подходят для постройки геотермальной электростанции лучше, а некоторые — намного хуже, вплоть до момента, когда прокапывать скважину до слоёв нужной температуры становится просто экономически невыгодно. Отсюда и популярность ГеоЭС в странах с большой сейсмической/вулканической активностью.

График изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли

В зависимости от имеющегося источника геотермальной энергии ГеоЭС можно условно разделить на гидротермальные, бинарные гидротермальные и петротермальные.

В гидротермальных электростанциях из трубы, проложенной до водоносных слоёв, поднимается раскалённый пар, который вращает турбину генератора. Если вместо пара поднимается пароводяная смесь температурой выше 150 °C, её водяная часть отделяется в специальном сепараторе и может в дальнейшем тоже превратиться в пар для генератора в условиях низкого давления.

Бинарные гидротермальные электростанции применяются там, где температура воды не поднимается выше 100 °C, а копать скважину глубже уже невыгодно или по каким-то причинам невозможно. Тогда эта вода используется для разогрева другой рабочей жидкости с низкой температурой кипения, например, фреона, пар от которого и подаётся на турбину генератора.

Петротермальные станции — сравнительно новое явление. В местах, где температура земной коры подходит для ГеоЭС, но водоносные слои почти отсутствуют, бурится скважина (на глубине от 3 до 10 км) и вводятся две трубы. В одну из них закачивается под давлением вода, которая разогревается в образованном давлением гидроразрыве и возвращается через вторую трубу в виде пара для турбины.

По состоянию на 2018 год в мире работало всего 22 петротермальных электростанций, большая часть которых сосредоточена в Европе. По мнению некоторых ученых, петротермальной энергии достаточно, чтобы навсегда обеспечить человечество энергией.

А в чём преимущества?

Главным преимуществом геотермальной энергетики является её неисчерпаемость, то есть та самая причина, по которой этот вид относят к ВИЭ. Бурение скважин, постройка геотермальных электростанций и закачка воды или использование воды/пара из геотермальных источников физически неспособны вызвать падение температуры ядра Земли или каким-то образом исчерпать этот ресурс.

Геотермальная энергетика более стабильна, чем другие виды энергетики. Она не зависит от погодных условий или времени дня, в отличие от своих более популярных «собратьев» по ВИЭ, солнечной и ветряной энергетики, или от поставок топлива, которое необходимо для работы ТЭС и АЭС. Также этот вид энергетики позволяет строить электростанции даже в труднодоступной местности и в отдалённых регионах с плохо развитой транспортной инфраструктурой.

Геотермальная энергетика, в отличие от солнечной или ветровой энергетики не требует значительных площадей для размещения объектов. Например, для выработки 1 ГВт*ч/год понадобится ГеоЭС площадью всего в 400 м2, а аналогичная солнечная станция займет более 3 квадратных километров.

При соблюдении всех условий безопасности геотермальные электростанции практически безопасны для экологии и вырабатывают очень мало углекислого газа, а вместе с электроэнергией с их помощью можно вести добычу полезных ископаемых, например, растворённые в пароводяной смеси металлы и газы.

При всех своих преимуществах у ГеоЭС есть и недостатки. Как было сказано выше, при соблюдении условий безопасности эти станции не наносят вреда экосфере, но это не отменяет того факта, что рабочая жидкость на ГеоЭС опасна и содержит тяжёлые металлы, например, свинец, мышьяк или аммиак, которые могут вызвать локальную катастрофу в случае аварии. Также ГеоЭС отличаются меньшей мощностью, чем гидроэлектростанции, ТЭС и, тем более, АЭС, а стоимость киловатта в них выше.

Это связано с тем, что, при всей простоте конструкции самих электростанций, огромные инвестиции нужны на качественную геологоразведку и анализ почвы. Примерный уровень капитальных затрат в данном сегменте находится на уровне $2800/кВт установленной мощности, что существенно выше, чем у газовых ТЭС, ветровых и солнечных электростанций.

Геотермальная энергетика в России

По оценкам некоторых экспертов, потенциал геотермальных ресурсов России намного выше, чем потенциал запасов органического топлива.

Геотермальные электростанции появились в России в шестидесятые годы прошлого века. Первой начала свою работу Паужетская, а затем Паратунская ГеоЭС на Камчатке. Практически все российские ГеоЭС находятся на Камчатке и на Курилах, где сосредоточена большая часть геотермальных ресурсов страны. В частности, камчатские геотермальные ресурсы могут обеспечить электростанции мощностью до 350 МВт (хотя этот потенциал используется только частично), а ресурсы Курил позволяют вырабатывать до 230 МВт.

Помимо указанных регионов, самыми перспективными для развития геотермальной энергетики, являются Дальний Восток в целом, Кавказ, Краснодарский край и Ставрополье, где вода температурой до 126 °C выходит на поверхность под давлением, что позволяет сократить расходы на её подачу на электростанцию при помощи насосов. И это касается не только электроснабжения.

Например, в Дагестане около 30% жилого фонда отапливается и снабжается водой из геотермальных источников, причём эту цифру легко можно довести до 70%. Огромными запасами геотермальных вод (около 70% общих российских запасов) обладает Западно-Сибирский нефтегазоводоносный бассейн, большая часть ресурсов которого сосредоточена на территории Томской области.

В то же время, в центральной части страны использование ГеоЭС экономически не слишком эффективно из-за высокой глубины залегания подходящих для геотермальных электростанций термальных вод (более 2 км).

Следует отметить, что часть перспективных проектов, связанных с геотермальной энергетикой в России либо реализуется слишком медленно, либо многие годы остаётся в «замороженном» состоянии, что снижает темпы развития этого сектора в стране. Например, ещё в 2008 году, после принятия указа президента РФ №889 «О мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики», был дан старт модернизации той самой Паужетской ГеоЭС, которая позволила бы обновить устаревшее оборудование и увеличить мощность станции на 2,5 МВт. Но, как оказалось, объект до сих пор не ввели в эксплуатацию.

Каковы перспективы?

По прогнозам МЭА, к 2040 году потребление и выработка электроэнергии в мире увеличатся на 60%, то есть спрос на электроэнергию составит 26,4 тыс. ТВт·ч в 2025 году и более 35,5 тыс. ТВт·ч в 2040-м.

Определенную роль в удовлетворении этого растущего спроса будет играть и геотермальная энергетика. Её рост будет стабильным, хотя вряд ли бурным.

По информации Bloomberg, в 2018 году инвестиции в геотермальную энергетику в мире выросли на 10% — до $1,8 млрд (в целом же в мире в ВИЭ было вложено более $300 млрд).

Лидерами в сфере геотермальной энергетики на данный момент являются США, также ГеоЭС очень популярны в Индонезии и на Филиппинах, где этот вид энергетики вырабатывает более 10% электроэнергии. Также в десятку мировых лидеров в области геотермальной энергетики входит Япония, в которой первая такая электростанция открылась ещё в 1966 году на базе оборудования Toshiba. Потенциал сектора в стране оценивается в 23 ГВт.

В целом же геотермальная энергетика — интересная и перспективная сфера ВИЭ. Она только начала показывать свои настоящие возможности, но уже сейчас имеет ряд неоспоримых преимуществ, которых лишены солнечная и ветряная отрасли, а также традиционные виды электростанций. опубликовано econet.ru  

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта здесь.

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Геотермальная энергетика — Википедия

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на использовании тепловой энергии недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, или непосредственно, для отопления или горячего водоснабжения. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

Запасы тепла Земли практически неисчерпаемы — при остывании ядра на 1 °C выделится 2*10²⁰ кВт*ч энергии, что в 10000 раз больше, чем содержится во всем разведанном ископаемом топливе, и в миллионы раз больше годового энергопотребления человечества. При этом температура ядра превышает 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за миллиард лет.

Тепловой поток, текущий из недр Земли через ее поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт*ч в год, что в 17 раз больше всей мировой выработки, и эквивалентно сжиганию 46 млрд тонн угля), а тепловая мощность, вырабатываемая Землей за счет радиоактивного распада урана, тория и калия-40 оценивается в 33±₂₀²⁸ ТВт, т.е. до 70% теплопотерь Земли восполняется^[1]. Использование даже 1% этой мощности эквивалентно нескольким сотням мощных электростанций. Однако, плотность теплового потока при этом составляет менее 0,1 Вт/м² (в тысячи и десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения), что затрудняет ее использование.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее +100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.

Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении.

Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика. Ниже описана гидротермальная энергетика^[2].

Ресурсы

Перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны планеты в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд.

Россия
На 2006 год в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тысяч м³/сутки. На двадцати месторождениях ведётся промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Черкесское и Казьминское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).

Достоинства и недостатки

Достоинства

Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, также в Казахстане.

Недостатки

Для того, что бы преобразовать тепловую энергию в электрическую с помощью какой-нибудь тепловой машины (например, паровой турбины), необходимо, что бы температура геотермальных вод была достаточно велика, иначе КПД тепловой машины будет слишком низким (например, при температуре воды 40°C и температуре окружающей среды 20°C КПД идеальной тепловой машины составит всего 6%, а КПД реальных машин еще ниже, кроме того, часть энергии будет потрачена на собственные нужды станции — например, на работу насосов, которые качают теплоноситель из скважины и закачивают остывший теплоноситель обратно). Для генерации электроэнергии целесообразно использовать геотермальную воду температурой от 150°C и выше. Даже для отопления и горячего водоснабжения требуется температура не ниже 50°C. Однако, температура Земли растет с глубиной довольно медленно, обычно геотермический градиент составляет всего 30°C на 1 км, т.е. даже для горячего водоснабжения потребуется скважина глубиной более километра, а для генерации электроэнергии — несколько километров. Бурение таких глубоких скважин обходится дорого, кроме того, на перекачку теплоносителя по ним тоже требуется затратить энергию, поэтому использование геотермальной энергии далеко не везде целесообразно. Практически все крупные ГеоЭС расположены в местах повышенного вулканизма — Камчатка, Исландия, Филиппины, Кения, поля гейзеров^[en] в Калифорнии (США) и т.д, где геотермический градиент гораздо выше, а геотермальные воды находятся близко к поверхности.

Одна из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт, на что требуется расход энергии. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, свинца, цинка, кадмия), неметаллов (например, бора, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Закачка отработанной воды необходима еще и для того, что бы давление в водоносном пласте не упало, что приведет к уменьшению выработки геотремальной станции, или ее полной неработоспособности.

Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.

Геотермальная электроэнергетика в мире

Потенциальная суммарная рабочая мощность геотермальных электростанций в мире уступает большинству станций на иных возобновляемых источниках энергии. Однако направление получило развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных заселённых географических районах, где отсутствуют или относительно дороги горючие полезные ископаемые, а также благодаря правительственным программам.

Установленная мощность геотермальных электростанций в мире на начало 1990-х годов составляла около 5 ГВт, на начало 2000-х годов — около 6 ГВт. В конце 2008 года суммарная мощность геотермальных электростанций планеты выросла до 10,5 ГВт^[3].

Установленная мощность геотермальных электростанций по странам

Страна	в 2007 г., МВт[4]	Мощность в 2010 г., МВт[5]	[источник не указан 2669 дней]
США	2687	3086	0,3 %
Филиппины	1969,7	1904	27 %
Индонезия	992	1197	3,7 %
Мексика	953	958	3 %
Италия	810,5	843
Новая Зеландия	471,6	628	10 %
Исландия	421,2	575	30 %
Япония	535,2	536	0,1 %
Сальвадор	204,2	204	14 %
Кения	128,8	167	11,2 %
Коста-Рика	162,5	166	14 %
Никарагуа	87,4	88	10 %
Россия	79	82	0,05 %
Турция	38	82
Папуа-Новая Гвинея	56	56
Гватемала	53	52
Португалия	23	29
КНР	27,8	24
Франция	14,7	16
Эфиопия	7,3	7,3
Германия	8,4	6,6
Австрия	1,1	1,4
Австралия	0,2	1,1
Таиланд	0,3	0,3
Всего	9731,9	10709,7

США

Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, которые в 2005 году произвели около 16 млрд кВт·ч возобновляемой электроэнергии. В 2009 году суммарные мощности 77 геотермальных электростанций в США составляли 3086 МВт^[6]. До 2013 года планируется строительство более 4400 МВт.

Наиболее мощная и известная группа геотермальных электростанций находится на границе округов Сонома и Лейк в 116 км к северу от Сан-Франциско. Она носит название «Гейзерс»(«Geysers») и состоит из 22 геотермальных электростанций с общей установленной мощностью 1517 МВт^[7]. «На „Гейзерс“ сейчас приходится одна четвёртая часть всей произведенной в Калифорнии альтернативной [не-гидро] энергии»^[8]. К другим основным промышленным зонам относятся: северная часть Солёного моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности) и геотермальные электростанции в Неваде, чья установленная мощность достигает 235 МВт.

Американские компании являются мировыми лидерами в этом секторе, несмотря на то, что геотермальная энергетика начала активно развиваться в стране сравнительно недавно. По данным Министерства Торговли, геотермальная энергия является одним из немногих возобновляемых источников энергии, чей экспорт из США больше, чем импорт. Кроме того, экспортируются также и технологии. 60 %^[9] компаний-членов Геотермал Энерджи Ассошиэйшн (Geothermal Energy Association) в настоящее время стремятся делать бизнес не только на территории США, но и за её пределами (в Турции, Кении, Никарагуа, Новой Зеландии, Индонезии, Японии и прочее).

Геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии в стране, имеет особую правительственную поддержку.

Филиппины

На 2003 год 1930 МВт электрической мощности установлено на Филиппинских островах, в Филиппинах парогидротермы обеспечивают производство около 27 % всей электроэнергии в стране.

Мексика

Страна на 2003 год находилась на третьем месте по выработке геотермальной энергии в мире, с установленной мощностью электростанций в 953 МВт. На важнейшей геотермальной зоне Серро Прието расположились станции общей мощностью в 750 МВт.

Италия

В Италии на 2003 год действовали энергоустановки общей мощностью в 790 МВт.

Исландия

В Исландии действуют пять теплофикационных геотермальных электростанций общей электрической мощностью 570 МВт (2008), которые производят 25 % всей электроэнергии в стране.

Одна из таких станций снабжает столицу Рейкьявик. Станция использует подземную воду, а излишки воды сливают в гигантский бассейн.

Кения

В Кении на 2005 год действовали три геотермальные электростанции общей электрической мощностью в 160 МВт, существуют планы по росту мощностей до 576 МВт. На сегодняшний день в Кении находится самая мощная ГеоЭС в мире, Олкария IV.

Россия

Впервые в мире неводяные пары как тепловой носитель применены на Паратунской ГеоТЭС в 1967 году.^[10]

Сегодня на Камчатке 40 % потребляемой энергии вырабатывается на геотермальных источниках^[11].
По данным института вулканологии Дальневосточного Отделения РАН, геотермальные ресурсы Камчатки оцениваются в 5000 МВт.^[12] Российский потенциал реализован только в размере немногим более 80 МВт установленной мощности (2009) и около 450 млн. кВт·ч годовой выработки (2009):

• Мутновское месторождение:
  • Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт·э (2011) и выработкой 69,5 млн кВт·ч/год (2010) (81,4 в 2004),
  • Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 50 МВт·э (2011) и выработкой 360,5 млн кВт·ч/год (2010) (на 2006 год ведётся строительство, увеличивающее мощность до 80 МВт·э и выработку до 577 млн кВт·ч)
• Паужетское месторождение возле вулканов Кошелева и Камбального — Паужетская ГеоТЭС мощностью 14,5 МВт·э (2011) и выработкой 43,1 млн кВт·ч (на 2010 год проводится реконструкция с увеличением мощности до 18 МВт·э).
• Месторождение на острове Итуруп (Курилы): Океанская ГеоТЭС установленой мощностью 2,5 МВт·э (2009). Существует проект мощностью 34,5 МВт и годовой выработкой 107 млн кВт·ч.
• Кунаширское месторождение (Курилы): Менделеевская ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт·э (2009).

В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато и приостановлено строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт.

В Краснодарском крае эксплуатируется 12 геотермальных месторождений.^[13]

Япония

В Японии насчитывается 20 геотермальных электростанций, однако геотермальная энергетика играет незначительную роль в энергетическом секторе страны: в 2013 году этим методом производилось 2596 ГВт/ч электроэнергии, что составляет около 0,25% от общего объёма электроснабжения страны

Классификация геотермальных вод^[14]

По температуре

Слаботермальные	до +40 °C
Термальные	от +40 до +60 °C
Высокотермальные	от +60 до +100 °C
Перегретые	более +100 °C

По минерализации (сухой остаток)

ультрапресные	до 0,1 г/л
пресные	0,1—1,0 г/л
слабосолоноватые	1,0—3,0 г/л
сильносолоноватые	3,0—10,0 г/л
солёные	10,0—35,0 г/л
рассольные	более 35,0 г/л

По общей жёсткости

очень мягкие	до 1,2 мг-экв/л
мягкие	1,2—2,8 мг-экв/л
средние	2,8—5,7 мг-экв/л
жёсткие	5,7—11,7 мг-экв/л
очень жёсткие	более 11,7 мг-экв/л

По кислотности, рН

сильнокислые	до 3,5
кислые	3,5—5,5
слабокислые	5,5—6,8
нейтральные	6,8—7,2
слабощелочные	7,2—8,5
щелочные	более 8,5

По газовому составу

сероводородные
сероводородно-углекислые
углекислые
азотно-углекислые
метановые
азотно-метановые
азотные

По газонасыщенности

слабая	до 100 мг/л
средняя	100—1000 мг/л
высокая	более 1000 мг/л

Петротермальная энергетика

Данный тип энергетики связан с глубинными температурами Земли, которые с определённого уровня начинают подниматься. Средняя скорость её повышения с глубиной — около 2,5 °С на каждые 100 м. На глубине 5 км температура составляет примерно 125 °С, а на 10 км около 250 °С. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара. Проблема данной энергетики на сегодня — её рентабельность.^[2]

См. также

Примечания

1. ↑ Капитонов И. М. Ядерное тепло Земли // Учебное пособие «Радиоактивность атомных ядер» под ред. Б.С. Ишханова. — КДУ, Университетская книга, Москва, 2017. — С. 48–56.
2. ↑ ^{1 2} Кирилл Дегтярёв. Петротермальная энергетика — старт в России  (недоступная ссылка — история). Русское географическое общество (24 октября 2011). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
3. ↑ Geothermal Development Expands Globally
4. ↑ Bertani, Ruggero (September 2007), «World Geothermal Generation in 2007», Geo-Heat Centre Quarterly Bulletin (Klamath Falls, Oregon: Oregon Institute of Technology) . — Т. 28 (3): 8–19, ISSN 0276-1084, <http://geoheat.oit.edu/bulletin/bull28-3/art3.pdf>. Проверено 12 апреля 2009. 
5. ↑ Holm, Alison (May 2010), Geothermal Energy:International Market Update, Geothermal Energy Association, сс. 7, <http://www.geo-energy.org/pdf/reports/GEA_International_Market_Report_Final_May_2010.pdf>. Проверено 24 мая 2010. 
6. ↑ Geothermal Projects Being Developed in 70 Countries 25 Май 2010 г.
7. ↑ The Geysers Geothermal Field, California, United States of America//www.power-technology.com — http://www.power-technology.com/projects/the-geysers-geothermal-california
8. ↑ Calpine and the Environment//www.geysers.com — http://www.geysers.com/environment.htm (недоступная ссылка)
9. ↑ Charles W. Thurston. Accelerating Geothermal Growth Through DOE Initiatives//Renewable Energy World North America, May, 2010//www.renewableenergyworld.com — http://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2012/01/accelerating-geothermal-growth-through-doe-initiatives
10. ↑ Л. А. Огуречников. Геотермальные ресурсы в энергетике. №11 (31). Альтернативная энергетика и экология (2005). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
11. ↑ Пока не закончится нефть // июнь 2016
12. ↑ Геотермальная энергетика. журнал «Энергосвет». Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
13. ↑ В. А. Бутузов, Г. В. Томаров, В. Х. Шетов. Геотермальная система теплоснабжения с использованием солнечной энергии и тепловых насосов. журнал «Энергосбережение» (№3 2008). Проверено 1 ноября 2012. Архивировано 20 ноября 2012 года.
14. ↑ ВСН 56-87 «Геотермальное теплохладоснабжение жилых и общественных зданий и сооружений»

Литература

• Дегтярев К. Тепло земли // Наука и жизнь. — 2013. — № 9-10.
• Дворов И. М. Глубинное тепло Земли / Отв. ред. д.г.-м.н. А. В. Щербаков. — М.: Наука, 1972. — 208 с. — (Настоящее и будущее человечества). — 15 000 экз.
• Берман Э., Маврицкий Б. Ф. Геотермальная энергия. М.: Мир, 1978. 416 с.
• Севастопольский А. Е. Геотермальная энергия: Ресурсы, разработка, использование : Пер. с англ. М.: Мир, 1975.
• Баева А. Г., Москвичёва В. Н. Геотермальная энергия: проблемы, ресурсы, использование. Библиографический указатель. Издательство СО АН СССР, Институт теплофизики, 1979

Ссылки

Отрасли промышленности

Геотермальная энергия Википедия

Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на использовании тепловой энергии недр Земли для производства электрической энергии на геотермальных электростанциях, или непосредственно, для отопления или горячего водоснабжения. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

Запасы тепла Земли практически неисчерпаемы — при остывании ядра на 1 °C выделится 2*10²⁰ кВт⋅ч энергии, что в 10000 раз больше, чем содержится во всем разведанном ископаемом топливе, и в миллионы раз больше годового энергопотребления человечества. При этом температура ядра превышает 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за миллиард лет.

Тепловой поток, текущий из недр Земли через её поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт⋅ч в год, что в 17 раз больше всей мировой выработки, и эквивалентно сжиганию 46 млрд тонн угля), а тепловая мощность, вырабатываемая Землей за счет радиоактивного распада урана, тория и калия-40 оценивается в 33±20 ТВт, т.е. до 70% теплопотерь Земли восполняется^[1]. Использование даже 1% этой мощности эквивалентно нескольким сотням мощных электростанций. Однако, плотность теплового потока при этом составляет менее 0,1 Вт/м² (в тысячи и десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения), что затрудняет её использование.

В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее +100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.

Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии и Новой Зеландии, Италии и Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении и Таджикистане.

Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика. Ниже описана гидротермальная энергетика^[2].

Геотермальные электростанции обеспечат людей возобновляемой энергией

Современное общество с каждым днем все больше нуждается в энергии. Уже подсчитаны запасы нефти и газа, учтены даже имеющиеся лесные ресурсы. И все более очевидно, что подобных энергетических источников, которые не могут быть возобновлены в течение короткого промежутка времени, надолго не хватит. Кроме того, подобные ресурсы никак нельзя назвать экологически чистыми. Требуются ресурсы, которые не только помогли бы если не восстановить, то по крайней мере не нарушать дальше пошатнувшуюся экологию, но и восстанавливались достаточно быстро. Ресурсы, которые принято называть возобновляемыми. И вот тут-то на выручку приходит геотермальная энергия.

Геотермальная энергия не является сегодняшним открытием человечества. О наличии в недрах земли энергетических запасов известно давно. Еще в древности люди использовали для отопления жилищ гейзеры и теплые источники, то есть, фактически использовали то, что теперь называют геотермальной энергией.

Геотермальную энергию обычно относят к альтернативным энергетическим источникам, и ее основным плюсом является то, что это источник возобновляемый, то есть, практически может считаться неиссякаемым (в противоположность традиционным источникам энергии, основанным на использовании нефти или газа).

Также к альтернативным возобновляемым источникам энергии относят солнечную и ветроэнергетику. Однако, у геотермальных электростанций имеется существенный плюс по сравнению с ветрогенераторами и солнечными батареями: их работа не зависит от погодных условий, в то время как на выработку энергии ветрогенераторами влияет сила и направление ветра, а количество энергии, которое способны выработать гелиоустановки, напрямую зависит от инсоляции местности. И если для использования солнечной энергии или энергии ветра приходится покрывать огромные площади установками (которые, к тому же, требуют постоянного обслуживания), то геотермальная электростанция представляет собой достаточно небольшой комплекс построек, располагающийся в термальной зоне.

Виды геотермальной энергии

Геотермальная энергия может быть получена как за счет теплых источников, которые поднимаются из глубин к поверхности (гидротермальная энергетика), так и за счет разницы в температурах на поверхности и в глубине (петротермальная энергетика). Геотермальные электростанции обычно используют первый вариант, как наиболее эффективный. Они строятся в местах, где имеются термальные источники (в термальных регионах), и весьма успешно справляются со своей задачей – выработкой электрической энергии. К примеру в Исландии, где имеются многочисленные вулканические зоны, а, следовательно, доступные термальные источники, геотермальные электростанции вырабатывают более 30% всей энергии.

В отличие от геотермальных электростанций, современные геотермальные системы отопления основаны в основном на петротермальной энергетике, то есть, используют в своей работе разницу в температурах между земной поверхностью и на глубине. При этом конструкция геотермальных тепловых насосов такова, что для их работы не требуется особенно глубоких скважин, они способны вырабатывать тепловую энергию, достаточную для отопления домов, используя незначительную разницу в температурах – всего лишь несколько градусов.

В настоящее время, когда энергоносители стремительно дорожают, особую популярность приобретают геотермальные тепловые насосы, предназначенные для отопления частных домов и коттеджей. Использование подобного оборудования позволяет владельцам домов не только приобрести энергетическую автономию, но и существенно сэкономить на содержании дома, особенно в отопительный период.

Геотермальные системы отопления

Несомненным плюсом геотермальных систем отопления является то, что они могут функционировать практически в любом регионе, вне зависимости от уровня инсоляции или силы ветра. Для их работы требуется всего лишь довольно незначительная разница температур на поверхности и в глубине земли, которая получается с помощью достаточно неглубокой скважины. К тому же, при их использовании нет таких ограничений, как при использовании для выработки энергии ветро- и гелиогенераторов.

К примеру, ветрогенераторы требуют определенного уровня установки, отсутствия вокруг препятствий для ветра, регулярного обслуживания, также при их установке приходится учитывать шумность работы и достаточно высокие показатели магнитного поля. Геотермальная система отопления практически не требует обслуживания, способна служить до ста лет, может работать как за счет перепада температур в грунте и на поверхности, так и за счет перепада температур в грунтовых водах или водоемах и так далее, имеются системы, весьма компактные в установке, не требующие больших площадей.

Геотермальный тепловой насос работает практически по тому же принципу, что и обычный кондиционер или холодильник, только наоборот: если задача кондиционера – собрать тепловую энергию в помещении и передать ее во внешнюю среду, то геотермальный тепловой насос напротив – собирает тепловую энергию во внешней среде и передает ее в помещение. Под землей или под водой (ниже точки замерзания) размещается теплообменник, внутри которого циркулирует теплоноситель (обычно жидкость с низкой температурой кипения, но в некоторых системах используется вода), теплоноситель подогревается за счет окружающей среды и передает тепловую энергию внутреннему контуру насоса, который нагревает воду или антифриз в отопительных приборах (в трубах, отопительных радиаторах).

Геотермальные тепловые насосы различают по виду теплоносителя во внешнем и внутреннем контурах: грунт-вода, вода-вода, воздух-вода, грунт-воздух, вода-воздух, воздух-воздух, антифриз-вода, антифриз-воздух (в качестве антифриза обычно используется фреон). Есть геотермальные тепловые насосы, работающие по принципу рекуперации – они способны использовать тепло выходящего из помещения воздуха (подобный насос максимально эффективен).

Следует заметить, что геотермальный тепловой насос воздух-воздух эффективен только в достаточно теплом климате и не способен обеспечить полноценное отопление в холодном. Такой насос ограничен минимальной температурой окружающей среды: — 25ºС, и при снижении температуры эффективность его падает.

Лучшим является вариант, когда отбор тепловой энергии происходит от грунта, при этом внешний контур заглубляется ниже глубины промерзания таким образом, что температура грунта вокруг него не изменяется практически круглый год. Такой геотермальный тепловой насос работает без сбоев с одинаковой эффективностью в любой сезон. Единственным минусом подобной системы является площадь, которая требуется для установки внешнего контура. Однако, возможна не горизонтальная, а вертикальная установка, что обходится дороже, но зато может быть использована даже на небольших участках.

Перспективы геотермальной энергетики

С учетом подорожания традиционных энергоносителей, в мире все больше внимания уделяется альтернативным источникам энергии. Так как климатические условия России далеко не везде позволяют использовать солнечную энергию или ветрогенераторы, геотермальная энергетика имеет весьма хорошие перспективы. Тем более, что имеются разведанные термальные месторождения, которые только и ждут строительства электростанций, а уже имеющиеся геотермальные электростанции показывают очень хорошие результаты. Дополнительным стимулом к развитию геотермальной энергетики является ее экологичность.

В настоящее время частный российский потребитель недостаточно ознакомлен с различными вариантами выработки тепловой энергии, которые предлагает геотермальная энергетика. Предпочтительными кажутся гелио- и ветроустановки для выработки энергии – они дешевле, особенно на начальном этапе. Но уже привлекается внимание к геотермальным тепловым насосам, и они все больше входят в практику частного домостроения. Тем более, что срок службы такой системы очень высок, а окупается ее установка всего за несколько лет.

С.Варган

Геотермальная электрическая станция — принцип работы, виды и распространение в Мире

Геотермальная электрическая станция – это комплекс инженерных устройств, преобразующих тепловую энергию планеты в электрическую энергию.

Геотермальная энергетика

Содержание статьи

Геотермальная энергетика относится к «зеленым» видам энергии. Данный способ энергообеспечения потребителей получил широкое распространение в регионах с термической активностью планеты для различных видов использования.

Геотермальная энергия бывает:

• Петротермальная, когда источник энергии — слои земли обладающие высокой температурой;
• Гидротермальная, когда источник энергии — подземные воды.

Геотермальные установки используются для энергоснабжения предприятий сельского хозяйства, промышленности и в жилищно-коммунальной сфере.

Принцип работы геотермальной электростанции

В современных геотермальных установках преобразование тепловой энергии земли в электрическую осуществляют нескольким способами, это:

Прямой метод

В установках такого вида, пар, поступающий из недр земли, работает в непосредственном контакте с паровой турбиной. Пар подается на лопасти турбины, которая свое вращательное движение передает генератору, вырабатывающему электрический ток.

Не прямой метод

В этом случае из земли закачивается раствор, который поступает на испаритель, и уже после испарения, полученный пар поступает на лопасти турбины.

Смешанный (бинарный) метод

В устройствах, работающих по этому методу, вода из скважины поступает на теплообменник, в котором, передает свою энергию теплоносителю, который, в свою очередь, под воздействием полученной энергии испаряется, а образовавшийся пар поступает на лопасти турбины.
В геотермальных установках, работающих по прямому методу (способу) воздействия на турбину, источником энергии служит геотермальный пар.

Во втором методе — используются перегретые гидротехнические растворы (гидротермы), которые обладают температурой выше 180 *С.

При бинарном методе – используются горячая вода, забираемая из слоев земли, а в качестве парообразующей используется жидкости с меньшей температурой кипения (фреон и подобные).

Плюсы и минусы

К достоинствам использования электростанций данного вида можно отнести:

• Это возобновляемый источник энергии;
• Огромные запасы в дальней перспективе развития;
• Способность работать в автономном режиме;
• Не подверженность сезонным и погодным факторам влияния;
• Универсальность – производство электрической и тепловой энергии;
• При строительстве станции не требуется устройство защитных (санитарных) зон.

Недостатками станций являются:

• Высокая стоимость строительства и оборудования;
• В процессе работы вероятны выбросы пара с содержанием вредных примесей;
• При использовании гидротермов из глубинных слоев земли, необходима их утилизация.

Геотермальные станции в России

Геотермальная энергетика, наряду с прочими видами «зеленой» энергетики, неукоснительно развивается на территории нашего государства. По расчетам ученых, внутренняя энергия планеты, в тысячи раз превышает количество энергии содержащейся в природных запасах традиционных видах топлива (нефть, газ).

В России успешно работают геотермальные станции, это:

Паужетская ГеоЭC

Расположена около поселка Паужетка на полуострове Камчатка. Ведена в эксплуатацию в 1966 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 12,0 МВт;
2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 124,0 млн.кВт.часов;
3. Количество энергоблоков – 2.

Ведутся работы по реконструкции, в результате которой электрическая мощность увеличится до 17,0 МВт.

Верхне-Мутновская опытно-промышленная ГеоЭС

Расположена в Камчатском крае. Введена в эксплуатацию в 1999 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 12,0 МВт;
2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 63,0 млн.кВт.часов;
3. Количество энергоблоков – 3.

Мутновская ГеоЭС

Наиболее крупная электрическая станция подобного типа. Расположена в Камчатском крае. Введена в эксплуатацию в 2003 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 50,0 МВт;
2. Годовой объем вырабатываемой электрической энергии – 350,0 млн кВт.часов;
3. Количество энергоблоков – 2.

Океанская ГеоЭС

Расположена в Сахалинской области. Введена в эксплуатацию в 2007 году.
Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 2,5 МВт;
2. Количество энергомодулей – 2.

Менделеевская ГеоТЭС

Расположена на острове Кунашир. Введена в эксплуатацию в 2000 году.

Технические характеристики:

1. Электрическая мощность – 3,6 МВт;
2. Тепловая мощность – 17 Гкал/час;
3. Количество энергомодулей – 2.

В настоящее время ведется модернизация станции, после которой мощность составит 7,4 МВт.

Геотермальные станции в мире

Во всех технически развитых странах, где есть сейсмически активные территории, где внутренняя энергия земли выходит наружу, строятся и эксплуатируются геотермальные электрические станции. Опытом строительства подобных инженерных объектов обладают:

США

Страна с наибольшим количеством потребления электрической энергии, вырабатываемой гелиотермическим станциями.

Установленная мощность энергоблоков составляет более 3000 МВт- это 0,3% от всей вырабатываемой электрической энергии в США.

Наиболее крупные это:

1. Группа станций «The Geysers». Расположена в Калифорнии, в состав группы входит 22 станции, установленной мощностью 1517,0 МВт.
2. В штате Калифорния, станция «Imperial Valley Geothermal Area» установленной мощностью 570,0 МВт.
3. В штате Невада станция «Navy 1 Geothermal Area» установленной мощностью 235,0 МВт.

Филиппины

Установленная мощность энергоблоков составляет более 1900 МВт, что составляет 27 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

1. «Макилинг-Банахау» установленной мощностью 458,0 МВт.
2. «Тиви», установленная мощность 330,0 МВт.

Индонезия

Установленная мощность энергоблоков составляет более 1200 МВт, что составляет 3,7 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

1. «Sarulla Unit I», установленная мощность – 220,0 МВт.
2. «Sarulla Unit II», установленная мощность — 110,0 МВт.
3. «Sorik Marapi Modular», установленная мощность — 110,0 МВт.
4. «Karaha Bodas», установленная мощность – 30,0 МВт.
5. «Ulubelu Unit» — находится в стадии строительства на Суматре.

Мексика

Установленная мощность энергоблоков составляет 1000 МВт, что составляет 3,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупная:

1. «Cerro Prieto Geothermal Power Station», установленной мощностью 720,0 МВт.

Новая Зеландия

Установленная мощность энергоблоков составляет более 600 МВт, что составляет 10,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупная:

1. «Ngatamariki», установленной мощностью 100,0 МВт.

Исландия

Установленная мощность энергоблоков составляет 600 МВт, что составляет 30,0 % от всей вырабатываемой электрической энергии в стране.

Наиболее крупные станции:

1. «Hellisheiði Power Station», установленной мощностью 300,0 МВт.
2. «Nesjavellir», установленной мощностью 120,0 МВт.
3. «Reykjanes», установленной мощностью 100,0 МВт.
4. «Svartsengi Geo», установленной мощностью 80,0 МВт.

Кроме выше перечисленных, геотермальные электростанции работают в Австралии, Японии, странах Евросоюза, Африки и Океании.

Геотремальные электростанции в России

В настоящее время мировыми лидерами в получении энергии из земных недр являются Соединенные Штаты Америки, Филиппины, Мексика, Индонезия, Италия, Япония, Новая Зеландия и Исландия. Но и Россия не стоит в стороне. Мутновская геотермальная электростанция на Камчатке – один из ярких примеров преобразования глубинного тепла Земли в электрическую энергию в России.

Геотермальная энергетика – самая перспективная отрасль энергетики, особенно это касается России. Согласно прогнозам специалистов объемы энергии тепла Земли, сконцентрированная под толщей земной коры в 10 км, в 50 тысяч раз превышают объемы энергии всех мировых запасов углеводородов – нефти и природного газа.

Геотермальные источники

Электростанции такого плана, как правило, возводятся в вулканических районах той или иной страны. При соприкосновении лавы вулканов с водными ресурсами происходит интенсивный нагрев воды, в результате чего в местах разлома тектонических плит, где земная кора наиболее тонка, горячая вода вырывается на поверхность земли в виде гейзеров, образуя горячие геотермальные озера или подводные течения.

Благодаря таким природным явлениям появилась возможность использования их свойств в качестве альтернативного, можно даже сказать, неисчерпаемого источника энергии. К сожалению, такие геотермальные источники распределены по поверхности земного шара неравномерно. Так на сегодняшний день они обнаружены и используются почти в 60-и странах, в основном, в районе Тихоокеанского вулканического кольца, а также в районе Дальнего Востока России.

Кроме открытых источников, добраться до подземной энергии возможно с помощью бурения скважин, причем через каждые 36 метров температура повышается на один градус. Получаемое таким способом тепло в виде горячей воды или пара можно использовать как для производства электрической энергии, для обогрева помещений, а также для производственных нужд, что актуально для России с холодными зимами.

Геотермальные электростанции

Электростанции, в работе которых используется пар, поступающий непосредственно из скважин в турбину генератора, называют станциями прямого типа. Самая первая и простейшая электростанция в мире была создана именно по такому принципу и заработала в 1911 году в итальянском населенном пункте Лардерелло. Жаль, конечно, что не в России. Что интересно, она вырабатывает электроэнергию до сих пор.

Одной из крупнейших электростанций, работающей на основе сухого пара из геотермального источника и в настоящее время, является станция, расположенная в местечке Гейзерс, в штате Северная Калифорния, США.

Наибольшее распространение получили геотермальные электростанции непрямого типа. Принцип работы заключается в подаче подземной горячей воды под высоким давлением в генераторные установки, расположенные на поверхности.

Наиболее экологически чистыми являются геотермальные электростанции смешанного типа. Удачным решением стало то, что кроме подземной воды используют дополнительную жидкость или газ с более низкой точкой кипения. При пропускании через теплообменник, горячая вода преобразует дополнительную жидкость до состояния пара, который приводит в действие турбины.

Кроме того, такие электростанции способны функционировать при довольно низких температурах подземной воды, от 100 до 190 °С. В ближайшем будущем геотермальные станции такого типа могут стать наиболее востребованными, поскольку большинство геотермальных источников в России имеют температуру воды намного ниже 190 °С.

Паужетская ГеоЭC

Целью строительства в 1966 году Паужетской геотермальной электростанции, первой в России, стала необходимость обеспечения электроэнергией ряда жилых поселков и предприятий по переработке рыбы. Расположена станция на западном побережье Камчатки, вблизи села Паужетка, рядом с вулканом Камбальный.

Установленная мощность на момент пуска электростанции в 1966 году составляла 5 МВт, в 2011 году – 12 МВт. В настоящее время реализуется введение бинарного энергоблока, созданного по отечественной технологии. Реализация данного проекта не только выведет электростанцию на новые мощности – до 17 МВт, но и решит экологические проблемы, связанные со сбросом отработанного сепарата на грунт.

Верхне-Мутновская опытно-промышленная ГеоЭС

Электростанция расположена на юго-востоке Камчатского полуострова на отметке 780 метров над уровнем моря на склонах вулкана Мутновский. Станция была введена в эксплуатацию в 1999-м году. Она имеет три энергоблока по 4 МВт, то есть ее проектная мощность составляет 12 МВт.

Мутновская ГеоЭС

Электростанция, использующая геотермальные источники, расположена близ вулкана Мутновский, на юго-востоке Камчатки. Дата введения в эксплуатацию – апрель 2003 года.
Установленная мощность – 50 МВт, планируемая 80 МВт. Обслуживание данной станции полностью автоматизировано.

Благодаря использованию геотермальных электростанций на Камчатке значительно ослаблена зависимость этого региона от привозного дорогостоящего топлива. На данный момент примерно 30% энергозатрат покрываются именно этими источниками электрической энергии.

Океанская ГеоЭС

На острове Итуруп Курильской гряды построена и введена в действие геотермальная электростанция «Океанская».
Начало строительства — 1993 год, ввод — 2006 год, мощность 2,5 МВт.

Менделе́евская ГеоТЭС

Геотермальная электростанция на острове Кунашир близ вулкана Менделеева. Мощность станции — 3,6 МВт. В 2011 году начались работы по модернизации, результатом которой станет достижение мощности в 7,4 МВт. Данная станция предназначена для теплоснабжения и электроснабжения города Южно-Курильска.

Имеющиеся ресурсы Курильских островов могут позволить выработать 230 МВт электроэнергии, что достаточно для удовлетворения всех потребностей региона в тепле, горячем водоснабжении, а самое главное – в энергетике.

О.Баратова

Мощность Паужетской ГеоЭС могут увеличить за счет дублирующих скважин:

Геотермальная циркуляционная система — Википедия

Схема петротермальной ГЦС:
1 — резервуар
2 — насос
3 — теплообменник
4 — турбинное отделение
5 — добычные скважины
6 — нагнетательная скважина
7 — линия теплоснабжения
8 — осадочные породы
9 — наблюдательная скважина
10 — горные породы

Геотерма́льная циркуляцио́нная систе́ма (ГЦС) — система для извлечения тепловой энергии из недр Земли с целью её использования для теплоснабжения или производства электроэнергии. От традиционных геотермальных систем отличается тем, что отработанный теплоноситель закачивается обратно под землю.

Понятие «геотермальная циркуляционная система» было введено в 1970-е советскими горными теплофизиками О. А. Кремневым, Ю. Д. Дядькиным и А. Н. Щербанем^[1].

В англоязычной литературе для обозначения геотермальных циркуляционных систем, к которым было применено искусственное стимулирование коллектора, используется термин enhanced (или engineered) geothermal system (EGS) — улучшенная (или искусственная) геотермальная система^[1]. Данное понятие было предложено в 1999 году исследователями М. Грассиани, З. Кригером и Х. Легманном.^[2].

Принцип действия ГЦС состоит в следующем. Через добычную скважину происходит извлечение теплоносителя (как правило, воды с примесями) из эксплуатируемого водоносного горизонта (подземного коллектора) на поверхность. Далее происходит отбор тепла теплоносителя, после чего он, при помощи насоса, через нагнетательную скважину закачивается обратно в пласт.^[3]

В зависимости от наличия в пласте геотермальных вод естественного происхождения, ГЦС может быть как гидротермальной, так и петротермальной. В последнем случае необходимо искусственно создавать в породе каналы для циркуляции теплоносителя и закачивать в неё воду из внешнего источника.^[4]

Для повышения проницаемости пород и увеличения площади поверхности теплосъёма применяют методы искусственного стимулирования, к наиболее распространённым из которых относятся гидравлический разрыв массива и кислотная обработка призабойной зоны.^[5]

Чтобы предотвратить коррозию и солеотложения в коммуникациях, используется двухконтурная схема: геотермальный флюид через теплообменник передаёт тепло чистой воде, циркулирующей в отдельном контуре^[6]. Полученная теплота может использоваться как для теплоснабжения, так и для выработки электроэнергии при помощи паровой турбины. Однако, использовать ГЦС в качестве электростанции целесообразно только в том случае, когда температура теплоносителя не ниже 100 °C^[7].

ГЦС имеют серьёзные преимущества перед традиционными геотермальными системами:

• Традиционные ГС могут работать лишь в крайне ограниченном числе мест, тогда как ГЦС — практически повсеместно.^[8]
• Степень извлечения тепла из недр значительно выше.^[3]
• Стабильная продуктивность за счёт поддержания давления в пласте.^[3]
• Поскольку геотермальная вода, после её отработки, закачивается обратно под землю, то полностью исключается возможность загрязнения окружающей среды минерализованными водами^[3], а при использовании двухконтурных систем — и выброса в атмосферу диоксида углерода^[7].

Вместе с тем, они имеют и некоторые недостатки:

• Строительство и обслуживание ГЦС обходится существенно дороже, чем традиционных ГС.^[3]
• Обратная закачка теплоносителя требует значительного расхода энергии. В результате эксплуатация ГЦС обходится в 2—3 раза дороже эксплуатации фонтанной системы.^[3] При этом, с течением времени приемистость нагнетательной скважины, как правило, снижается.^[5]
• Коррозия и солеотложение, обусловленные работой с минерализованными водами, затрудняют эксплуатацию насосного оборудования и засоряют скважины.^[9]

Охлаждение пласта[править | править код]

В результате обратного закачивания охлаждённого теплоносителя, со временем неизбежно происходит охлаждение пласта. Из-за этого снижается мощность станции.

Выделяют 2 фазы эксплуатации ГЦС:

1. Первая фаза — когда температура теплоносителя на выходе из подземного коллектора близка к начальной температуре пласта.
2. Вторая фаза начинается, когда температура теплоносителя становится меньше начальной температуры пласта, и заканчивается, когда температуры теплоносителя на выходе из коллектора и на входе в него становится близки. После этого дальнейшая эксплуатация системы становится невозможной.

Время эксплуатации ГЦС может быть рассчитано по формуле:

τ=πC0ρHhR23CBG{\displaystyle \tau ={\frac {\pi C_{0}\rho _{H}hR^{2}}{3C_{B}G}}}

где τ{\displaystyle \tau } — время, с, C0{\displaystyle C_{0}} — теплоёмкость пласта, кДж/кг, ρH{\displaystyle \rho _{H}} — плотность термальной воды в скважинах, кг/м³, h{\displaystyle h} — мощность пласта, м, R{\displaystyle R} — расстояние между нагнетательной и добычной скважинами, м, CB{\displaystyle C_{B}} — теплоёмкость воды в пласте, кДж/кг, G{\displaystyle G} — дебит циркуляционной системы, кг/с.^[10]

В 2006 году срок службы ГЦС оценивался в 20—30 лет, при условии проведения стимулирования коллектора каждые 6 лет^[11].

Наведённая сейсмичность[править | править код]

Стимулирование коллекторов геотермальных систем может спровоцировать землетрясения. Максимальная сейсмическая активность может достигать 3,0—3,7 единицы по шкале Рихтера^[12].

Подобные землетрясения происходили в Швейцарии, Германии и других странах^[13]. В 2017 в Южной Корее произошло землетрясение (кор., англ.) магнитудой 5,4 единицы^[14].

Тем не менее, применение новых технологий позволяют существенно снизить сейсмическую активность при гидроразрыве^[12].

По данным на 2013 год, в мире было реализовано 20 проектов ГЦС с искусственно стимулированным коллектором, 14 из которых — действующие электростанции, и 8 находилось в стадии разработки^[15]. Теплоснабжающих ГЦС было создано несколько сотен^[16].

Проекты по созданию и эксплуатации ГЦС существовали или существуют в США, Великобритании, Германии, Австралии, Франции, Японии, Швеции, Италии, Сальвадоре, Швейцарии, Китае, Австралии^[17][18][19].

Франция[править | править код]

Первая ГЦС, использующая тепло пористых горных пород, была построена в Париже в 1963 году и предназначалась для отопления комплекса Brodkastin Chaos.^[20][21][16]

Soultz-sous-Forêts[править | править код]

В середине 1980-х был начат совместный проект Франции, Германии и Великобритании по созданию петротермальной ГЦС в Сульц-су-Форе. Позднее к нему также подключились группы учёных из Италии, Швейцарии и Норвегии, а также в нём приняли некоторое участие учёные из США и Японии.

К 1991 году скважины были пробурены на глубину до 2,2 км, и проведено гидравлическое стимулирование коллектора. Однако, имели место большие потери жидкости. Как позднее было установлено, это произошло по причине того, что горные породы на глубине 2—3 км здесь имели большое число разломов и трещиноватостей естественного происхождения, и жидкость утекла туда.^[22]

К 1995 году были пробурены скважины глубиной до 3,9 км, где температура составляла 168 °C. При помощи гидроразрыва был создан коллектор и начаты опыты по циркуляции. Температура добываемой воды составляла 136 °C, закачиваемой — 40 °C, при тепловой мощности 9 МВт. В 1997 году, после дополнительного стимулирования, тепловая мощность достигла 10 МВт, при этом на работу насосного оборудования требовалось всего лишь 250 кВт. Эксперимент по циркуляции на уровне 25 кг/с длился 4 месяца, потерь теплоносителя не было.^[22]

Позднее к проекту присоединились промышленные корпорации. К 2003 году скважины углубили до 5,1 км.^[22] При помощи нескольких гидравлических и химических стимулирований был создан коллектор, в 2005—2008 был проведён ряд циркуляционных тестов, в ходе которых удалось на выходе из коллектора получить теплоноситель с температурой около 160 °C. Было начато строительство электростанции.^[23]

Последующие проекты[править | править код]

В конце 1980-х был начат проект по созданию петротермальной ГЦС близ Виши. Были пробурены скважины около 800 м глубиной и проведено стимулирование, после чего совершены циркуляционные тесты.^[24]

В 2014 году на ГЦС-технологию было переведено геотермальное месторождение Bouillante (фр.) на островах Гваделупы. До этого отработанные геотермальные воды сбрасывались в море. Благодаря вулканической активности, здесь уже на глубине 320 м температура достигает 250 °C. Тепловая мощность системы составляет 15,75 МВт.^[25]

США[править | править код]

Fenton Hill[править | править код]

Первая геотермальная циркуляционная система, извлекающая тепло из непроницаемых горных пород, была построена Лос-Аламосской национальной лабораторией в Нью-Мексико в ходе проекта Fenton Hill^[1]. Проект был запущен в 1974 году. Для создания коллектора была применена технология гидроразрыва. Глубина первого коллектора составляла около 2,7 км, температура пород — около 180 °C. С 1977 по 1980 год было проведено 5 экспериментальных запусков общей продолжительностью 417 дней. Тепловая мощность составляла от 3 до 5 МВт, что позволило получить 60 кВт на выходе паротурбинного генератора.

В дальнейшем были пробурены скважины до 4,4 км, где температура достигала 327 °C. Второй коллектор в 1986 году эксплуатировался в тестовом режиме в течение 30 дней. Температура воды, извлекаемой из коллектора, составляла 192 °C. Давление в нагнетательной скважине составляло от 26,9 до 30,3 МПа.

Ещё один тестовый пуск был проведён в 1992 году. После 112 дней работы из-за поломки нагнетательного насоса система была остановлена. В течение первых 55 дней температура воды из добычной скважины превосходила 180 °C, позднее начала снижаться.

В 2000 году из-за сокращения финансирования проект был закрыт.^[26]

Последующие проекты[править | править код]

В США было реализовано несколько проектов гидротермальных ГЦС, в частности, Coso (2001), Desert Peak (2001), Glass Mountain, Geysers-Clear Lake^[27].

Великобритания[править | править код]

Rosemanowes Quarry, Великобритания

Rosemanowes Quarry[править | править код]

В 1977 году был запущен экспериментальный проект петротермальной ГЦС Rosemanowes Quarry (англ.) в Корнуолле. Он был намеренно ограничен температурами пород до 100 °C, чтобы избежать проблем при бурении. В 1983 были пробурены нагнетательная и добычная скважина на глубину 2,6 км, где температура достигала 100 °C. Был осуществлён гидроразрыв гранитного массива, и в 1985 году началась циркуляция теплоносителя. Она продолжалась 4 года, средний поток теплоносителя составлял 20—25 кг/с, температура на выходе из коллектора вначале составляла 80,5 °C, в конце снизилась до 70,5 °C. Из-за того, что при стимулировании образовалась неудачная структура трещин, имели место значительные потери теплоносителя, кроме того, он попадал из нагнетательной в добычную скважину слишком быстро, не получая достаточного количества теплоты.^[28]

Германия[править | править код]

ГеоЭС Neustadt-Glewe, Германия ГеоЭС Landau, Германия

В 1976—1978 годах был реализован проект Falkenberg в Баварии. Был создан коллектор на глубине около 450 м и проведены циркуляционные тесты с потоком 3—4 кг/с. Проект продолжался до 1983 года.^[24]

В 1977 году был начат проект Bad Urach в Швабских Альпах, неподалёку от Штутгарта. Были пробурены скважины глубиной 3,5 км и проведены стимулирования, после чего произведены удачные циркуляционные тесты. На базе данного проекта была создана электростанция.^[24]

В 2003 году был реализован проект ГЦС-электростанции Neustadt-Glewe (нем.) (Нойштадт-Глеве) с электрической мощностью 230 кВт^[29].

В 2003 был начат проект Landau (нем.), были пробурены скважины глубиной 3,3 км, где температура составляет около 160 °C. Было проведено гидравлическое и химическое стимулирование. В 2007 году запущена бинарная установка с электрической мощностью 3 МВт. Температура поступающего на неё теплоносителя составляет 160 °C, отработанный теплоноситель имеет температуру 70-80 °C и используется для отопления около 8000 зданий, после чего он имеет температуру около 50 °C и закачивается обратно в коллектор.^[30]

Также в Германии существуют проекты Horstberg (2003), коммерческий проект Offenbach^[24], Bruchal, Insheim (нем., англ.), Genesys, Hannover^[31].

СССР[править | править код]

С 1981 по 1990 год непрерывно эксплуатировалась ГЦС на Ханкальском месторождении термальных вод в Грозненском районе. Она использовалась для отопления теплично-парникового комплекса комбината «Тепличный».^[9]

Япония[править | править код]

В 1982 году был запущен проект Огати в префектуре Акита, в вулканической зоне. К 1992 году была пробурена скважина глубиной 1,1 км, где температура составляла 240 °C, и проведены стимулирования. Однако, эксперименты с циркуляцией показали, что, из-за плохого соединения между скважинами, возвращается только 3 % закачанной воды. Несколько повторных стимулирований позволили увеличить это значение до 25 %.^[32]

В 1989 был начат проект Хидзёри в префектуре Ямагата. Были пробурены скважины на глубину около 2 км и создан коллектор при помощи гидроразрыва. В 2000 году начался эксперимент с циркуляцией продолжительностью 1 год. В нагнетательную скважину закачивалось 15—20 кг/с воды температурой 36 °C, а из двух добычных возвращалось 5 кг/с температурой 163 °C и 4 кг/с температурой 172 °C. Общая тепловая мощность составляла 8 МВт. В конце эксперимента был запущен электрогенератор мощностью 130 кВт.^[32]

Швеция[править | править код]

В 1984 году был начат проект петротермальной ГЦС Fjällbacka, к северу от Уддеваллы. Был создан коллектор на глубине около 0,5 км и проведены циркуляционные тесты.^[24]

Россия[править | править код]

По данным на 2016 год, в России действуют ГЦС на Тернаирском и Кизлярском месторождениях термальных вод в Дагестане.^[9]

Экономический потенциал месторождений термальных вод в России оценивается в 50,1 миллионов тонн у.т./год при традиционной фонтанной эксплуатации, и в 114,9 миллионов тонн у.т./год — при ГЦС эксплуатации.^[3]

Сальвадор[править | править код]

ГеоЭС Berlin, Сальвадор

Построенная в 1992 году в вулканическом комплексе Текапа ГЦС-электростанция Berlin, после химического стимулирования скважин, достигла электрической мощности 109,4 МВт.^[33]

Швейцария[править | править код]

В 1996 году начаты проекты по созданию петротермальных ГЦС электростанций в Базеле (Deep Heat Mining Basel (нем.)) и Женеве^[24].

Австрия[править | править код]

В 1997 году в ГЦС была переоборудована геотермальная система Altheim. В 2000 году на ней была запущена бинарная установка для выработки электроэнергии. Поскольку температура воды на выходе из коллектора составляет всего 106 °C, в качестве рабочей жидкости в ней используется низкоэнтальпийный теплоноситель на основе фтороуглерода, что позволяет достичь электрической мощности 1 МВт (при тепловой мощности 12,4 МВт).^[34]

Австралия[править | править код]

С 1999 года в Австралии разрабатывался проект Hunter Valley^[24].

В 2003 году в ходе проекта Cooper Basin в Южной Австралии были пробурены скважины глубиной около 4 км, где температура составляла около 250 °C. В ходе экспериментов с циркуляцией температура теплоносителя на выходе составляла 210 °C, при потоке 25 кг/с.^[35]

1. ↑ ^{1 2 3} Пашкевич, 2015, с. 388.
2. ↑ Breede, 2015, p. 20.
3. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Алхасов, 2016, с. 103.
4. ↑ Алхасов, 2016, с. 108.
5. ↑ ^{1 2} Алхасов, 2016, с. 105.
6. ↑ Алхасов, 2016, с. 85.
7. ↑ ^{1 2} Алхасов, 2016, с. 112.
8. ↑ Алхасов, 2016, с. 102, 110.
9. ↑ ^{1 2 3} Алхасов, 2016, с. 104.
10. ↑ Алхасов, 2016, с. 103—105.
11. ↑ Jefferson, 2006, p. 1.29.
12. ↑ ^{1 2} Пашкевич, 2015, с. 395.
13. ↑ Европейцы испугались жара земных недр. Экологи в панике.
14. ↑ Землетрясение 2017 года в Корее обусловлено работой геотермальной электростанции.
15. ↑ Breede, 2013.
16. ↑ ^{1 2} Гнатусь, 2013, с. 11.
17. ↑ Пашкевич, 2015, с. 390—391.
18. ↑ Jefferson, 2006, p. 1.21.
19. ↑ Гнатусь, 2013, с. 12.
20. ↑ Н.А. Бабушкин. Перспективы использования геотермальной энергии России // Молодая мысль: Наука. Технологии. Инновации. — 2009. — С. 218.
21. ↑ D.T. N.A. Gnus. Die Wärmeenergie der Erde ist die Basis des zukünftigen Energiesystems (нем.). aycateknik.com. Дата обращения 3 сентября 2019.
22. ↑ ^{1 2 3} Jefferson, 2006, p. 4.26—4.31.
23. ↑ Nicolas Cuenot, Louis Dorbath, Michel Frogneux, Nadège Langet. Microseismic Activity Induced Under Circulation Conditions at the EGS Project of Soultz-Sous-Forêts (France) (англ.) // Proceedings World Geothermal Conference. — 2010. — January.
24. ↑ ^{1 2 3 4 5 6 7} Jefferson, 2006, p. 4.36—4.42.
25. ↑ Пашкевич, 2015, с. 389.
26. ↑ Jefferson, 2006, p. 4.7—4.13.
27. ↑ Jefferson, 2006, p. 4.35.
28. ↑ Jefferson, 2006, p. 4.14—4.18.
29. ↑ Пашкевич, 2015, с. 393.
30. ↑ Пашкевич, 2015, с. 393—394.
31. ↑ Пашкевич, 2015, с. 393, 395.
32. ↑ ^{1 2} Jefferson, 2006, p. 4.19—4.23.
33. ↑ Пашкевич, 2015, с. 392.
34. ↑ Пашкевич, 2015, с. 389—392.
35. ↑ Jefferson, 2006, p. 4.32—4.34.

• Алхасов А.Б. Возобновляемые источники энергии. — М.: Издательский дом МЭИ, 2016. — ISBN 978-5-383-00960-4.
• Гнатусь Н.А. Открытый семинар «Экономические проблемы энергетического комплекса» (семинар А.С.Некрасова). Петротермальная энергетика России. Перспективы освоения и развития. — М.: Издательство ИНП РАН, 2013.
• Пашкевич Р.И., Павлов К.А. Современное состояние использования циркуляционных геотермальных систем в целях тепло- и электроснабжения // Горный информационно-аналитический бюллетень : научно-технический журнал. — Горная книга, 2015. — С. 388—399. — ISSN 0236-1493.
• Breede K., Dzebisashvili K., Liu X., Falcone G. A systematic review of enhanced (or engineered) geothermal systems: past, present and future (англ.) // Geotherm Energy. — 2013. — No. 1: 4. — DOI:10.1186/2195-9706-1-4.
• Breede K., Dzebisashvili K., Falcone G. Overcoming challenges in the classification of deep geothermal potential (англ.) // Geothermal energy science. — 2015. — No. 3. — P. 19—39. — DOI:10.5194/gtes-3-19-2015.
• The Future of Geothermal Energy. Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21st Century. — Massachusetts Institute of Technology, 2006. — ISBN 0-615-13438-6. Архивировано 10 марта 2011 года.