Геотермальная электростанция: как работает, плюсы и минусы

Характеристики запасов тепла Земли

Резервная характеристика Числовое значение

Энергия, выделяющаяся при охлаждении ядра на 1 градус Цельсия	2*10^20 кВтч
Температура ядра	6000 градусов Цельсия
Скорость охлаждения ядра	300-500 градусов по Цельсию за миллиард лет
Тепловая волна	47 Тераватт
Тепловая мощность Земли	33 Тераватт
Плотность теплового потока	менее 0,1 Вт/м2

Даже один процент этой мощности соответствует более чем сотне силовых установок. Но низкая плотность теплового потока затрудняет сбор и переработку этой энергии.

Немного истории

Идею использования собранного пара из геотермальных источников впервые высказал в начале 19 века французский инженер и предприниматель Франсуа де Лардерель.

Первая в мире ГеоЭС в Лардерелло

Почти 100 лет спустя, в 1904 году, итальянский бизнесмен Пьеро Конти впервые испытал геотермальный генератор в городе Лардерелло. Там же спустя семь лет была запущена первая в мире геотермальная электростанция (ГеоЭС), которая, кстати, работает и по сей день.

Пьеро Конти и его геотермальный генератор

Классификация геотермальной энергии

Основным источником геотермальной энергии является тепловой поток недр планеты, который направлен к поверхности. Это тепло производится химическими реакциями, радиоактивным распадом и ядерным трением. Геотермальное тепло можно получить различными способами.

Типы используемых ресурсов

Для добычи геотермальной энергии используются следующие виды ресурсов:

• тепло поверхности планеты на расстоянии до сотен метров до ядра;
• гидротермальные (естественные резервуары воды) и парогидротермальные (места появления пара и смеси водяного пара) системы;
• энергия из сухой породы (петротермальная);
• магма.

Гидротермальная энергия

Этот вид энергии направлен на получение электроэнергии из тепла подземных вод. Источники тепла следующие:

• вода – для существования необходим слой породы для передачи тепла, при этом давление выше атмосферного;
• паровая вода — между двумя слоями находится вода, тепло передается через нижний слой, а верхний слой не дает воде просачиваться наружу, чтобы получить тепло, нужно выпустить воду или пар, для этого нужно просверлить хорошо;
• паровой – схема работы аналогична предыдущей, но тепло передаёт только пар.

Петротермальная энергия

Этот вид энергии занимается добычей электроэнергии за счет подземного тепла из горячих пород. Однако этот вид энергии менее распространен: для производства энергии нужна нагретая порода, которая даже в районах с высокими температурами залегает на глубине не менее двух километров.

Способы извлечения ресурсов

Для получения энергии используйте один из следующих способов:

• традиционный;
  • фонтан – за счет давления в грунте ресурс самоизливается;
  • насосная – метод применяется, когда образование фонтана невозможно;
• геоциркуляция – охлажденный ресурс отправляется обратно в недра земли.

Принцип работы геотермальных электростанций

Чтобы направить пар на лопатки турбины, его необходимо добывать из-под земли. Принцип действия геотермальных электростанций основан на способе закачки воды в функционирующую скважину. Жидкость нагревается в горячих слоях до насыщенного пара, который с силой вырывается на поверхность.

Для выработки электроэнергии используются 3 основных метода:

• сухой пар: на турбину воздействуют геотермальные ресурсы;
• насыщенные газовые среды с повышенной влажностью взаимодействуют с генератором.
• комбинированный сочетает в себе обе технологии.

Прямой метод

Используется гидротермальный пар, который выходит из-под земли через питающий колодец. Это приводит в движение турбину генератора. Отработанная жидкость закачивается в твердые грунтовые образования. Термические слои загрязнены.

Непрямой метод

Перегретые гидротермальные ресурсы из скважины поступают в испаритель, где тепло от геотермальной воды испаряет лишнюю влагу из теплоносителя. Пар из испарителя под давлением поступает на лопатки турбины и заставляет их вращаться. Электростанции на основе парогидротермальных систем второго поколения более мощные и надежные: испарительно-турбинная система замкнутая.

Смешанный бинарный метод

Современные геотермальные электростанции по своему принципу аналогичны генераторным установкам второго поколения. Только вода, нагретая землей, проходит через теплообменник, заполненный теплоносителем.

Устройство передает тепло от земли воздушной смеси, которая вращает генератор. При такой технологии используется меньше нагретой термальной воды, увеличивается теплоотдача, снижаются потери энергии.

Как работает геотермальная электростанция

Геотермальная электростанция получает энергию в виде пара или горячей воды от тепла земли через специально пробуренные скважины. Температура внутри них повышается на один градус по мере того, как они погружаются глубже каждые 36 метров.

Получить энергию на ГеоЭС можно несколькими способами:

• Прямая схема – подача пара по специальным трубам к турбине, соединенной с генератором;
• Косвенная схема практически ничем не отличается от предыдущей, за исключением того, что пар в трубах проходит дополнительную очистку от «агрессивных» газов, разрушающих трубы;
• При смешанной схеме из образующегося конденсата удаляют не растворенные в нем газы;
• Принцип действия бинарной схемы заключается в том, что вместо воды в качестве рабочего тела используется другая жидкость с более низкой температурой кипения (например, изопентан), которая, проходя через теплообменник, превращается в пар для вращения турбин.

Геотермальные ресурсы

Источником энергии для геотермальных станций являются недра земли, где аккумулируется тепло за счет процессов, непрерывно происходящих в ядре. Рассмотрим подробно историю открытия этих глубинных источников и проследим хронологию создания средств преобразования энергии теплоносителя в электрическую.

История развития

Способы практического использования энергии геотермальных источников были известны человеку еще в древности (в I веке н.э.). Традиционно используется в следующих формах:

• Купание в открытых водоемах с теплой водой (у гейзеров, например).
• Принятие банных процедур на основе использования той же термальной воды.
• В виде эффективной системы централизованного теплоснабжения.

В Древнем Риме представители высшего сословия любили отдыхать в изотермах (так называли бани, нагреваемые источниками тепла из недр земли). Позже, в 14 веке, изобретательные французы построили первую в истории планеты систему отопления, также используя геотермальный потенциал земного шара. В промышленных масштабах его стали применять в Италии в 1827 году.

Тепловая энергия земли использовалась итальянскими инженерами для извлечения борной кислоты из вулканических пород. Со временем специалисты научились различать петротермальные и гидротермальные источники.

Петротермальная энергетика

Так называемая «петротермальная» энергетика является разновидностью геотермального направления, когда в качестве источника используется теплота сухих горных пород. При изучении этого способа добычи энергии важно отметить следующие моменты:

• повышение температуры горных пород с их глубиной характеризуется особым показателем, называемым «градиентом»;
• в среднем в толще земной коры на разных участках земли она составляет 0,02 °С на метр;
• при указанном градиенте температура на глубинах ок. 5 км сейчас 100 С.

Такого температурного градиента вполне достаточно, чтобы практически использовать его для выработки электроэнергии.

Гидротермальные источники

Гидротермальные источники тепла – это подземные воды природного происхождения, которые намного превосходят петротермальные аналоги по энергоэффективности. Кроме того, описанный способ не требует значительных затрат в плане денежных и трудовых ресурсов.

Примечание: Создание и внедрение таких систем возможно только в местах, где геотермальные воды присутствуют в достаточном количестве и доступны для разработки.

Примером такого места являются разведанные зоны скрытой вулканической активности. В связи с этим гидротермальные ресурсы составляют лишь около 1% пригодных для использования геотермальных ресурсов. Остальные 99 процентов — это петротермальные источники, которые можно найти практически в любой точке земной поверхности.

Основные черты геотермальной энергетики

К особенностям геотермальной энергетики можно отнести следующие отличительные признаки:

• Относительная сложность доступа к возобновляемому источнику тепла.
• Трудности с выбором нужного способа получения и преобразования энергии.
• Необходимость рассмотрения преимуществ и недостатков строительства геотермальных электростанций в отдельных районах страны.

Дополнительная информация: Источником тепла являются либо сухие горные породы, либо геотермальная вода, залегающая в недрах земли и доступная для использования.

Для получения энергии из тепловых резервов в кишечнике используют один из следующих известных способов:

• Традиционный подход.
• Отвод с помощью насосных станций.
• Фонтанная дорога.
• Геоциркуляционный метод.

Традиционный метод предполагает прямой доступ к источнику тепла с отбором энергии через скважинный канал. При реализации фонтанного метода самопроливают ресурс за счет внутреннего давления скапливающегося в недрах пара.

Насосное оборудование используется в ситуациях, когда другой вариант самостоятельного доступа к скважине практически невозможен. Последний метод замечателен тем, что полностью использованный ресурс отправляется обратно в недра земли.

Читайте также: Электроэнергия напрямую из газа — изобретение уральских ученых

Сферы применения

Несмотря на то, что Гео ТЭС занимают скромное место среди других энергетических объектов, станции, работающие на тепле недр земли, находят все более широкое применение в народном хозяйстве. Учитывая ранее рассмотренные преимущества и недостатки геотермальных электростанций, последние могут быть использованы в случаях, рассмотренных ниже.

В сельском хозяйстве и садоводстве

В сельском хозяйстве геотермальную электростанцию ​​можно использовать для следующих целей:

• для обогрева растений, выращиваемых в теплицах или тепличных комплексах;
• в целях ухода за ними (особенно для полива);
• для отопительных комплексов, где содержится скот и птица (фермы, коровники и птичники).

Возможность использования геотермальных станций для этих целей зависит от качества и состава воды, поступающей из недр. В сельском хозяйстве и садоводстве их чаще всего используют в таких странах, как Израиль, Гватемала, Греция, Мексика и Кения.

В промышленности и ЖКХ

Промышленные предприятия и городские коммунальные службы относятся к тем государственным структурам, которые более других нуждаются в источниках энергии, не зависящих от случая. Геотермальная энергетика вполне способна справиться с этой задачей и обеспечить их в нужном количестве возобновляемыми энергоресурсами.

Поэтому промышленность и коммунальное хозяйство считаются одними из основных потребителей в этой отрасли. В промышленных масштабах геотермальная энергия вырабатывается для заявленных нужд в Новой Зеландии, России, Исландии и США.

В частном секторе

Вы также можете самостоятельно получать геотермальную энергию в небольших объемах, например, использовать ее для автономного отопления или дополнительного обогрева частных домов вместо газа. Принцип работы такой системы аналогичен работе обычного кондиционера, используемого в режиме обогрева помещений.

Напротив, геотермальный источник тепла может работать при любой температуре наружного воздуха и практически не потребляет электроэнергии.

Построить частную геотермальную станцию ​​можно, если, например, в выбранном месте на нужной глубине установить специальные коллекторы, заполненные антифризом. За счет естественных обменных процессов они будут концентрировать тепло, а затем отдавать его в систему отопления жилого дома.

Стоимость обустройства такого комплекса минимальна (частнику остается только потратиться на покупку необходимого оборудования и установку).

Преимущества и недостатки

Преимущества геотермальной энергии уникальны своей неисчерпаемостью и абсолютной независимостью от внешних факторов. Ни один источник альтернативной энергии не может обеспечить коэффициент использования установленной энергии ГеоЭС 80 %.

К недостаткам можно отнести высокую стоимость скважин. Чтобы получить «нужную» температуру, придется сверлить на большую глубину. Так, для горячего водоснабжения необходимо углубиться более чем на километр, а для выработки электроэнергии — до нескольких километров.

Еще одной серьезной проблемой является закачка сточных вод в подземный водоносный горизонт, что также требует дополнительных энергетических и финансовых затрат. Их сброс в природные водоемы чрезвычайно опасен, так как может привести к тяжелым последствиям для окружающей среды из-за высокого содержания в них токсичных металлов — свинца, кадмия, цинка и других.

При бурении скважин также необходимо учитывать сейсмическую активность в районе расположения практически всех ГеоЭС. В противном случае непродуманное бурение скважин может спровоцировать землетрясение.

Мировая геотермальная электроэнергетика

По состоянию на 2020 год все ГеоЭС в мире выработали почти 95 100 ГВтч при установленной мощности около 15 951 МВт. Эти показатели значительно хуже, чем у большинства электростанций, использующих другие возобновляемые источники энергии.

Безоговорочным лидером в геотермальной энергетике являются США, на территории которых в 116 км к северу от Сан-Франциско на границе округов Сонома и Лейк расположена крупнейшая в мире группа ГеоЭС «Гейзеры». На его долю приходится четверть всей альтернативной энергии, производимой в Калифорнии. Помимо США, около 25 стран, включая Россию, имеют геотермальные электростанции.

Геотермальные электростанции России

Геотермальная энергетика в России – относительно молодое направление. Первая Паужетская ГеоЭС была введена в эксплуатацию на Камчатке в августе 1966 года. Сегодня в России четыре ГеоЭС – три на Камчатке и одна на Курилах. Это Мутновская, Верхне-Мутновская, Паужетская и Менделеевская ГеоЭС.

В прошлом году суммарная выработанная ими мощность составила 74 МВт. Кроме того, геотермальная энергия широко используется для отопления домов и горячего водоснабжения.

Помимо Дальневосточного региона геотермальные ресурсы сосредоточены на Северном Кавказе, в Ставрополе и на Кубани. Встречаются они также в Калининградской области и Западной Сибири.

Мутновская ГеоЭС

Крупнейшим производителем электроэнергии среди российских геотермальных электростанций является Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт, введенная в эксплуатацию почти 20 лет назад в 2002 году. Она расположена в Елизовском районе Камчатского края на высоте 800 метров.

Электростанция работает по прямой схеме — пароводяная смесь подается по трубам из 12 скважин. Далее на сепараторах она разделяется на пар и воду, после чего пар поступает в турбины, а горячая вода закачивается обратно в пласты горных пород. На Мутновской ГеоЭС установлены две турбины по 25 МВт каждая. Полученная энергия поступает в единую энергосистему.

Перспективы развития геотермальной энергетики

0,5 процента (8,5 гигаватт) — именно столько геотермальной энергии сейчас приходится на остальной мир, хотя по мощности они могут достигать 50% мировой энергии. На глубине от трех до пяти километров была сосредоточена энергия, способная обеспечить человечество всем необходимым на тысячелетия. Ежегодно потенциал геотермальных ресурсов растет на два-три процента.

В России геотермальная энергетика не может стать ведущей отраслью, так как ресурсы ресурсов в стране не подходят для признания этого вида важнейшим. Однако развитие в этом направлении является приоритетным.

Экономический потенциал геоэнергетики

Геотермальная зона, Исландия

Разведанные учеными запасы на глубине 3,5 километра при температуре воды от 40 до 200 градусов по Цельсию способны дать 14 миллионов кубометров горячей воды. Это соответствует 30 млн тонн условного топлива. Геотермальный ресурс превышает топливный в 10-15 раз.

Более половины территории Российской Федерации имеет хороший потенциал для развития геотермальной энергетики. Экономические преимущества геотермальной энергии можно увидеть на примере: в Паугете тарифы не колеблются, они постоянны независимо от погоды и времени суток.

Плюсы и минусы данного источника энергии

Геотермальная энергия имеет два основных преимущества: неисчерпаемость, а также независимость от внешних факторов. Коэффициент установленной мощности может достигать 80 процентов. Однако нельзя не отметить следующие недостатки:

• экономическое значение скважин. Для преобразования тепла необходимо, чтобы значение температуры воды было достаточным. Для этого скважины бурятся глубже. Но так как температурный градиент обычно невелик, необходимо бурить не менее одного километра в длину, что экономически не выгодно;
• Экологичность. Эксплуатация подземных вод проблематична, так как они содержат соединения токсичных элементов (металлов и неметаллов), поэтому их нельзя бездумно сбрасывать на поверхность, их необходимо откачивать обратно. Это также важно для поддержания водоносных горизонтов;
• Провокация землетрясений. Работы по добыче электроэнергии в сейсмически опасной зоне могут привести к землетрясениям. Например, как в Пхохане в 2017 году.

Геотермальная электростанция для частного дома

Идея использования тепла недр Земли для обогрева частного дома уже не является фантастикой. Геотермальные системы хорошо зарекомендовали себя, как в северных, так и в южных широтах. Правда, для этого потребуется специальное оборудование, способное аккумулировать природное тепло и передавать его теплоносителю системы отопления.

В состав геотермального оборудования частного дома входят: испаритель, расположенный глубоко под землей, необходимый для поглощения тепловой энергии из земли; конденсатор, который доводит антифриз до нужной температуры, и тепловой насос, который циркулирует антифриз в системе и контролирует работу всей установки.

Затем нагретый антифриз поступает в буферную емкость, где энергия передается охлаждающей жидкости. Внутри буферной емкости находится внутренний бак с водой из системы отопления и змеевик, по которому движется нагретый антифриз.