В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия — некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.
 Геотермальный источник. Фото Игоря Константинова. |
Геотермальная энергия — это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.
Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов — солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта — до десятков метров.
 Изменение температуры грунта с глубиной. |
На некоторой глубине — от десятков до сотен метров — температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.
Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200–300 м.
С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.
Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки — в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара — нормальное явление, а глубже температура ещё выше.
Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик — в среднем его мощность составляет 0,03–0,05 Вт/м2, или примерно 350 Вт·ч/м2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).
 Рост температуры термальных вод и вмещающих их сухих пород с глубиной. |
Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения — места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.
Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.
 Извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль — иллюстрация бурных вулканических процессов, протекающих в активных тектонических и вулканических зонах с мощным тепловым потоком из земных недр. |
В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной — явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.
В среднем температура с глубиной растёт на 2,5–3°C на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.
Обратная величина — геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1°C.
Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.
В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150°C на 1 км, а в Южной Африке — 6°C на 1 км.
|
Изменение температуры с глубиной в разных регионах. |
Вопрос, какова температура на больших глубинах — 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250–300°C. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.
Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10°C/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2–2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120°C, на 10 км — 180°C, а на 12 км — 220°C.
Другой пример — скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42°C, на 1,5 км — 70°C, на 2 км — 80°C, на 3 км — 108°C.
Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20–30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300–1500°C, на глубине 400 км — 1600°C, в ядре Земли (глубины более 6000 км) — 4000–5000°C.
На глубинах до 10–12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сейсмических волн или температура изливающейся лавы.
Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.
На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя — нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.
Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20°C, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.
Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей — это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.
Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород — петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.
На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, — соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно — тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.
Воды температурой от 20–30 до 100°C пригодны для отопления, температурой от 150°C и выше — и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.
В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.
|
Распределение геотермальных ресурсов по территории России. Запасы геотермальной энергии, по оценкам экспертов, в несколько раз превышают запасы энергии органического ископаемого топлива. По данным ассоциации «Геотермальное энергетическое общество» |
Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.
В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией — страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull) в 2010 году.
|
Установленные мощности геотермальных электростанций по странам мира, МВт. |
Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.
В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.
«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.
Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.
Использование геотермальной энергии имеет весьма давнюю историю. Один из первых известных примеров — Италия, местечко в провинции Тоскана, ныне называемое Лардерелло, где ещё в начале XIX века местные горячие термальные воды, изливавшиеся естественным путём или добываемые из неглубоких скважин, использовались в энергетических целях.
 Коллектор для сбора термальной борной воды в Лардерелло (Италия), первая половина XIX века. |
Вода из подземных источников, богатая бором, употреблялась здесь для получения борной кислоты. Первоначально эту кислоту получали методом выпаривания в железных бойлерах, а в качестве топлива брали обычные дрова из ближайших лесов, но в 1827 году Франческо Лардерел (Francesco Larderel) создал систему, работавшую на тепле самих вод. Одновременно энергию природного водяного пара начали использовать для работы буровых установок, а в начале XX века — и для отопления местных домов и теплиц. Там же, в Лардерелло, в 1904 году термальный водяной пар стал энергетическим источником для получения электричества.
 Двигатель и инвертор, использовавшиеся в Лардерелло в 1904 году в первом эксперименте по производству геотермальной электроэнергии. |
Примеру Италии в конце XIX—начале XX века последовали некоторые другие страны. Например, в 1892 году термальные воды впервые были использованы для местного отопления в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-м — в Японии, в 1928-м — в Исландии.
В США первая электростанция, работавшая на гидротермальной энергии, появилась в Калифорнии в начале 1930-х годов, в Новой Зеландии — в 1958 году, в Мексике — в 1959-м, в России (первая в мире бинарная ГеоЭС) — в 1965-м.
Старый принцип на новом источнике
Выработка электроэнергии требует более высокой температуры гидроисточника, чем для отопления, — более 150°C. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) сходен с принципом работы обычной тепловой электростанции (ТЭС). По сути, геотермальная электростанция — разновидность ТЭС.
 Принципиальная схема работы тепловой электростанции. |
На ТЭС в роли первичного источника энергии выступают, как правило, уголь, газ или мазут, а рабочим телом служит водяной пар. Топливо, сгорая, нагревает воду до состояния пара, который вращает паровую турбину, а она генерирует электричество.
Отличие ГеоЭС состоит в том, что первичный источник энергии здесь — тепло земных недр и рабочее тело в виде пара поступает на лопасти турбины электрогенератора в «готовом» виде прямо из добывающей скважины.
Существуют три основные схемы работы ГеоЭС: прямая, с использованием сухого (геотермального) пара; непрямая, на основе гидротермальной воды, и смешанная, или бинарная.
Применение той или иной схемы зависит от агрегатного состояния и температуры энергоносителя.
Самая простая и потому первая из освоенных схем — прямая, в которой пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину. На сухом пару работала и первая в мире ГеоЭС в Лардерелло в 1904 году.
 Принцип работы ГеоЭС на сухом пару. Геотермальный пар, поступающий из добывающей скважины, пропускается непосредственно через паровую турбину. Самая простая из существующих схем работы ГеоЭС. |
ГеоЭС с непрямой схемой работы в наше время самые распространённые. Они используют горячую подземную воду, которая под высоким давлением нагнетается в испаритель, где часть её выпаривается, а полученный пар вращает турбину. В ряде случаев требуются дополнительные устройства и контуры для очистки геотермальной воды и пара от агрессивных соединений.
 Принцип работы ГеоЭС с непрямой схемой. Горячая подземная вода из добывающей скважины нагнетается в испаритель, а полученный пар подаётся в турбину. |
Отработанный пар поступает в скважину нагнетания либо используется для отопления помещений, — в этом случае принцип тот же, что при работе ТЭЦ.
На бинарных ГеоЭС горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела с более низкой температурой кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину.
 Принцип работы бинарной ГеоЭС. Горячая термальная вода взаимодействует с другой жидкостью, выполняющей функции рабочего тела и имеющей менее высокую температуру кипения. Обе жидкости пропускаются через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой, в свою очередь, вращают турбину |
Эта система замкнута, что решает проблемы выбросов в атмосферу. Кроме того, рабочие жидкости со сравнительно низкой температурой кипения позволяют использовать в качестве первичного источника энергии и не очень горячие термальные воды.
Во всех трёх схемах эксплуатируется гидротермальный источник, но для получения электричества можно использовать и петротермальную энергию.
Принципиальная схема в этом случае также достаточно проста. Необходимо пробурить две соединяющиеся между собою скважины — нагнетательную и эксплуатационную. В нагнетательную скважину закачивается вода. На глубине она нагревается, затем нагретая вода или образовавшийся в результате сильного нагрева пар по эксплуатационной скважине подаётся на поверхность. Далее всё зависит от того, как используется петротермальная энергия — для отопления или для производства электроэнергии. Возможен замкнутый цикл с закачиванием отработанного пара и воды обратно в нагнетательную скважину либо другой способ утилизации.
 Схема работы петротермальной системы. Система основана на использовании температурного градиента между поверхностью земли и её недрами, где температура выше. Вода с поверхности закачивается в нагнетательную скважину и нагревается на глубине, далее нагретая вода или образовавшийся в результате нагрева пар подаются на поверхность по эксплуатационной скважине. |
Недостаток такой системы очевиден: для получения достаточно высокой температуры рабочей жидкости нужно бурить скважины на большую глубину. А это серьёзные затраты и риск существенных потерь тепла при движении флюида вверх. Поэтому петротермальные системы пока менее распространены по сравнению с гидротермальными, хотя потенциал петротермальной энергетики на порядки выше.
В настоящее время лидер в создании так называемых петротермальных циркуляционных систем (ПЦС) — Австралия. Кроме того, это направление геотермальной энергетики активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании, Японии.
Подарок лорда Кельвина
Изобретение в 1852 году теплового насоса физиком Уильямом Томпсоном (он же — лорд Кельвин) предоставило человечеству реальную возможность использования низкопотенциального тепла верхних слоёв грунта. Теплонасосная система, или, как её называл Томпсон, умножитель тепла, основана на физическом процессе передачи тепла от окружающей среды к хладагенту. По сути, в ней используют тот же принцип, что и в петротермальных системах. Отличие — в источнике тепла, в связи с чем может возникнуть терминологический вопрос: насколько тепловой насос можно считать именно геотермальной системой? Дело в том, что в верхних слоях, до глубин в десятки-сотни метров, породы и содержащиеся в них флюиды нагреваются не глубинным теплом земли, а солнцем. Таким образом, именно солнце в данном случае — первичный источник тепла, хотя забирается оно, как и в геотермальных системах, из земли.
 Принципиальная схема холодильника и теплового насоса: 1 — конденсатор; 2 — дроссель (регулятор давления); 3 — испаритель; 4 — компрессор. |
Работа теплового насоса основана на запаздывании прогрева и охлаждения грунта по сравнению с атмосферой, в результате чего образуется градиент температур между поверхностью и более глубокими слоями, которые сохраняют тепло даже зимой, подобно тому, как это происходит в водоёмах. Основное назначение тепловых насосов — обогрев помещений. По сути — это «холодильник наоборот». И тепловой насос, и холодильник взаимодействуют с тремя составляющими: внутренней средой (в первом случае — отапливаемое помещение, во втором — охлаждаемая камера холодильника), внешней средой — источником энергии и холодильным агентом (хладагентом), он же — теплоноситель, обеспечивающий передачу тепла или холода.
В роли хладагента выступает вещество с низкой температурой кипения, что позволяет ему отбирать тепло у источника, имеющего даже сравнительно низкую температуру.
В холодильнике жидкий хладагент через дроссель (регулятор давления) поступает в испаритель, где из-за резкого уменьшения давления происходит испарение жидкости. Испарение — эндотермический процесс, требующий поглощения тепла извне. В результате тепло из внутренних стенок испарителя забирается, что и обеспечивает охлаждающий эффект в камере холодильника. Далее из испарителя хладагент засасывается в компрессор, где он возвращается в жидкое агрегатное состояние. Это обратный процесс, ведущий к выбросу отнятого тепла во внешнюю среду. Как правило, оно выбрасывается в помещение, и задняя стенка холодильника сравнительно тёплая.
Тепловой насос работает практически так же, с той разницей, что тепло забирается из внешней среды и через испаритель поступает во внутреннюю среду — систему отопления помещения.
В реальном тепловом насосе вода нагревается, проходя по внешнему контуру, уложенному в землю или водоём, далее поступает в испаритель.
В испарителе тепло передаётся во внутренний контур, заполненный хладагентом с низкой температурой кипения, который, проходя через испаритель, переходит из жидкого состояния в газообразное, забирая тепло.
Далее газообразный хладагент попадает в компрессор, где сжимается до высокого давления и температуры, и поступает в конденсатор, где происходит теплообмен между горячим газом и теплоносителем из системы отопления.
Для работы компрессора требуется электроэнергия, тем не менее коэффициент трансформации (соотношение потребляемой и вырабатываемой энергии) в современных системах достаточно высок, чтобы обеспечить их эффективность.
В настоящее время тепловые насосы довольно широко используются для отопления помещений, главным образом, в экономически развитых странах.
Экокорректная энергетика
Геотермальная энергетика считается экологически чистой, что в целом справедливо. Прежде всего, в ней используется возобновляемый и практически неисчерпаемый ресурс. Геотермальная энергетика не требует больших площадей, в отличие от крупных ГЭС или ветропарков, и не загрязняет атмосферу, в отличие от углеводородной энергетики. В среднем ГеоЭС занимает 400 м2 в пересчёте на 1 ГВт вырабатываемой электроэнергии. Тот же показатель для угольной ТЭС, к примеру, составляет 3600 м2. К экологическим преимуществам ГеоЭС относят также низкое водопотребление — 20 литров пресной воды на 1 кВт, тогда как для ТЭС и АЭС требуется около 1000 литров. Отметим, что это экологические показатели «среднестатистической» ГеоЭС.
Но отрицательные побочные эффекты всё же имеются. Среди них чаще всего выделяют шум, тепловое загрязнение атмосферы и химическое — воды и почвы, а также образование твёрдых отходов.
Главный источник химического загрязнения среды — собственно термальная вода (с высокой температурой и минерализацией), нередко содержащая большие количества токсичных соединений, в связи с чем существует проблема утилизации отработанной воды и опасных веществ.
Отрицательные эффекты геотермальной энергетики могут прослеживаться на нескольких этапах, начиная с бурения скважин. Здесь возникают те же опасности, что и при бурении любой скважины: разрушение почвенно-растительного покрова, загрязнение грунта и грунтовых вод.
На стадии эксплуатации ГеоЭС проблемы загрязнения окружающей среды сохраняются. Термальные флюиды — вода и пар — обычно содержат углекислый газ (CO2), сульфид серы (H2S), аммиак (NH3), метан (CH4), поваренную соль (NaCl), бор (B), мышьяк (As), ртуть (Hg). При выбросах во внешнюю среду они становятся источниками её загрязнения. Кроме того, агрессивная химическая среда может вызывать коррозионные разрушения конструкций ГеоТЭС.
В то же время выбросы загрязняющих веществ на ГеоЭС в среднем ниже, чем на ТЭС. Например, выбросы углекислого газа на каждый киловатт-час выработанной электроэнергии составляют до 380 г на ГеоЭС, 1042 г — на угольных ТЭС, 906 г — на мазутных и 453 г — на газовых ТЭС.
Возникает вопрос: что делать с отработанной водой? При невысокой минерализации она после охлаждения может быть сброшена в поверхностные воды. Другой путь — закачивание её обратно в водоносный пласт через нагнетательную скважину, что предпочтительно и преимущественно применяется в настоящее время.
Добыча термальной воды из водоносных пластов (как и выкачивание обычной воды) может вызывать просадку и подвижки грунта, другие деформации геологических слоёв, микроземлетрясения. Вероятность таких явлений, как правило, невелика, хотя отдельные случаи зафиксированы (например, на ГеоЭС в Штауфен-им-Брайсгау в Германии).
Следует подчеркнуть, что большая часть ГеоЭС расположена на сравнительно малонаселённых территориях и в странах третьего мира, где экологические требования бывают менее жёсткими, чем в развитых странах. Кроме того, на данный момент количество ГеоЭС и их мощности сравнительно невелики. При более масштабном развитии геотермальной энергетики экологические риски могут возрасти и умножиться.
Почём энергия Земли?
Инвестиционные затраты на строительство геотермальных систем варьируют в очень широком диапазоне — от 200 до 5000 долларов на 1 кВт установленной мощности, то есть самые дешёвые варианты сопоставимы со стоимостью строительства ТЭС. Зависят они, прежде всего, от условий залегания термальных вод, их состава, конструкции системы. Бурение на большую глубину, создание замкнутой системы с двумя скважинами, необходимость очистки воды могут многократно увеличивать стоимость.
Например, инвестиции в создание петротермальной циркуляционной системы (ПЦС) оцениваются в 1,6–4 тыс. долларов на 1 кВт установленной мощности, что превышает затраты на строительство атомной электростанции и сопоставимо с затратами на строительство ветряных и солнечных электростанций.
Очевидное экономическое преимущество ГеоТЭС — бесплатный энергоноситель. Для сравнения — в структуре затрат работающей ТЭС или АЭС на топливо приходится 50–80% или даже больше, в зависимости от текущих цен на энергоносители. Отсюда ещё одно преимущество геотермальной системы: расходы при эксплуатации более стабильны и предсказуемы, поскольку не зависят от внешней конъюнктуры цен на энергоносители. В целом эксплуатационные затраты ГеоТЭС оцениваются в 2–10 центов (60 коп.–3 руб.) на 1 кВт·ч произведённой мощности.
Вторая по величине после энергоносителя (и весьма существенная) статья расходов — это, как правило, заработная плата персонала станции, которая может кардинально различаться по странам и регионам.
В среднем себестоимость 1 кВт·ч геотермальной энергии сопоставима с таковой для ТЭС (в российских условиях — около 1 руб./1 кВт·ч) и в десять раз выше себестоимости выработки электроэнергии на ГЭС (5–10 коп./1 кВт·ч).
Отчасти причина высокой себестоимости заключается в том, что, в отличие от тепловых и гидравлических электростанций, ГеоТЭС имеет сравнительно небольшую мощность. Кроме того, необходимо сравнивать системы, находящиеся в одном регионе и в сходных условиях. Так, например, на Камчатке, по оценкам экспертов, 1 кВт·ч геотермальной электроэнергии обходится в 2–3 раза дешевле электроэнергии, произведённой на местных ТЭС.
Показатели экономической эффективности работы геотермальной системы зависят, например, и от того, нужно ли утилизировать отработанную воду и какими способами это делается, возможно ли комбинированное использование ресурса. Так, химические элементы и соединения, извлечённые из термальной воды, могут дать дополнительный доход. Вспомним пример Лардерелло: первичным там было именно химическое производство, а использование геотермальной энергии первоначально носило вспомогательный характер.
Форварды геотермальной энергетики
Геотермальная энергетика развивается несколько иначе, чем ветряная и солнечная. В настоящее время она в существенно большей степени зависит от характера самого ресурса, который резко различается по регионам, а наибольшие концентрации привязаны к узким зонам геотермических аномалий, связанных, как правило, с районами развития тектонических разломов и вулканизма.
Кроме того, геотермальная энергетика менее технологически ёмкая по сравнению с ветряной и тем более с солнечной энергетикой: системы геотермальных станций достаточно просты.
В общей структуре мирового производства электроэнергии на геотермальную составляющую приходится менее 1%, но в некоторых регионах и странах её доля достигает 25–30%. Из-за привязки к геологическим условиям значительная часть мощностей геотермальной энергетики сосредоточена в странах третьего мира, где выделяются три кластера наибольшего развития отрасли — острова Юго-Восточной Азии, Центральная Америка и Восточная Африка. Два первых региона входят в Тихоокеанский «огненный пояс Земли», третий привязан к Восточно-Африканскому рифту. С наибольшей вероятностью геотермальная энергетика и далее будет развиваться в этих поясах. Более отдалённая перспектива — развитие петротермальной энергетики, использующей тепло слоёв земли, лежащих на глубине нескольких километров. Это практически повсеместно распространённый ресурс, но его извлечение требует высоких затрат, поэтому петротермальная энергетика развивается прежде всего в наиболее экономически и технологически мощных странах.
В целом, учитывая повсеместное распространение геотермальных ресурсов и приемлемый уровень экологической безопасности, есть основания предполагать, что геотермальная энергетика имеет хорошие перспективы развития. Особенно при нарастании угрозы дефицита традиционных энергоносителей и росте цен на них.
От Камчатки до Кавказа
В России развитие геотермальной энергетики имеет достаточно давнюю историю, и по ряду позиций мы находимся в числе мировых лидеров, хотя в общем энергобалансе огромной страны доля геотермальной энергии пока ничтожно мала.
Пионерами и центрами развития геотермальной энергетики в России стали два региона — Камчатка и Северный Кавказ, причём если в первом случае речь идёт прежде всего об электроэнергетике, то во втором — об использовании тепловой энергии термальной воды.
На Северном Кавказе — в Краснодарском крае, Чечне, Дагестане — тепло термальных вод для энергетических целей использовалось ещё до Великой Отечественной войны. В 1980–1990-е годы развитие геотермальной энергетики в регионе по понятным причинам застопорилось и пока из состояния стагнации не вышло. Тем не менее геотермальное водоснабжение на Северном Кавказе обеспечивает теплом около 500 тыс. человек, а, например, город Лабинск в Краснодарском крае с населением 60 тыс. человек полностью отапливается за счёт геотермальных вод.
На Камчатке история геотермальной энергетики связана, прежде всего, со строительством ГеоЭС. Первые из них, до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции, были построены ещё в 1965–1967 годах, при этом Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт стала первой станцией в мире с бинарным циклом. Это была разработка советских учёных С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельда из Института теплофизики СО РАН, получивших в 1965 году авторское свидетельство на извлечение электроэнергии из воды с температурой от 70°C. Эта технология впоследствии стала прототипом для более 400 бинарных ГеоЭС в мире.
Мощность Паужетской ГеоЭС, введённой в эксплуатацию в 1966 году, изначально составляла 5 МВт и впоследствии была наращена до 12 МВт. В настоящее время на станции идёт строительство бинарного блока, который увеличит её мощность ещё на 2,5 МВт.
Развитие геотермальной энергетики в СССР и России тормозилось доступностью традиционных энергоносителей — нефти, газа, угля, но никогда не прекращалось. Крупнейшие на данный момент объекты геотермальной энергетики — Верхне-Мутновская ГеоЭС с суммарной мощностью энергоблоков 12 МВт, введённая в эксплуатацию в 1999 году, и Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт (2002 год).
Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоЭС — уникальные объекты не только для России, но и в мировом масштабе. Станции расположены у подножия вулкана Мутновский, на высоте 800 метров над уровнем моря, и работают в экстремальных климатических условиях, где 9–10 месяцев в году зима. Оборудование Мутновских ГеоЭС, на данный момент одно из самых современных в мире, полностью создано на отечественных предприятиях энергетического машиностроения.
В настоящее время доля Мутновских станций в общей структуре энергопотребления Центрально-Камчатского энергетического узла составляет 40%. В ближайшие годы планируется увеличение мощности.
 Мутновская ГеоЭС на Камчатке. На конец 2011 года установленная мощность станции была 50 МВт, однако её планируется увеличить до 80 МВт. Фото Татьяны Коробковой (НИЛ ВИЭ географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова) |
Отдельно следует сказать о российских петротермальных разработках. Крупных ПЦС у нас пока нет, однако есть передовые технологии бурения на большую глубину (порядка 10 км), которые также не имеют аналогов в мире. Их дальнейшее развитие позволит кардинально снизить затраты на создание петротермальных систем. Разработчики данных технологий и проектов — Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской (Геологический институт РАН), А. С. Некрасов (Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН) и специалисты Калужского турбинного завода. Сейчас проект петротермальной циркуляционной системы в России находится на экспериментальной стадии.
Перспективы у геотермальной энергетики в России есть, хотя и сравнительно отдалённые: на данный момент достаточно велик потенциал и сильны позиции традиционной энергетики. В то же время в ряде отдалённых районов страны использование геотермальной энергии экономически выгодно и востребовано уже сейчас. Это территории с высоким геоэнергетическим потенциалом (Чукотка, Камчатка, Курилы — российская часть Тихоокеанского «огненного пояса Земли», горы Южной Сибири и Кавказ) и одновременно удалённые и отрезанные от централизованного энергоснабжения.
Вероятно, в ближайшие десятилетия геотермальная энергетика в нашей стране будет развиваться именно в таких регионах.
Кирилл Дегтярев,
научный сотрудник, МГУ им. М. В. Ломоносова
«Наука и жизнь» №9, №10 2013
Ссылка: http://scisne.net/a-1172
Технологии могут помочь пережить темную эру, но только анклавам. Масштабы работ (даже если представить, что есть масштабируемые технологии глубинного бурения) представляются значительно большими, чем по строительству АЭС.
Комментарии
Вы уже второе сообщение со словоблудием пишете. Если вам нечего сказать по теме - покиньте её и свяжите себе руки, чтобы контролировать позывы оставить очередной бессмысленный комментарий.
выкачивая тепло с глубин, этим можно немного охладить землю, но не критично. другое дело, не вызовет ли это масштабных землетрясений и извержений?
ну а тепла в земной мантии много. например, сколько тепла дает одно извержение вулкана? тут наша цивилизация рядом не стояла
Давайте просто подумаем куда девается всё это тепло? Вот здесь тоненький слой, а там чуть под землёй уже раскалённая магма. Так? С какой стати она не остыла за миллиарды лет? Почему то, по чему мы все ходим, не расплавилось за миллиарды лет? Я не вижу термодинамику в действии.
Я вот сейчас по улицам хожу, так там снег, лёд, метель... Почему я должен верить во всякий собачий бред что у меня под ногами расплавленная магма существует миллиарды лет? Кто её теплу мешает на поверхность добраться?
ходя по льду реки, вы же не считаете что река замерзла?
для меня тоже не совсем понятно, как земная кора не расплавилась. но физики уверены в своей правоте:-)
ну и откуда тогда магма появляется? извержения?
Так я тоже не знаю. Но законы физики говорят, что если под нами магма, которую разогревает внутренний источник, то всё (всё, Карл!!! абсолютно всё до последней калории!!!) тепло от этого источника должно доходить до поверхности Земли (если его не похищают жидорептилоиды, конечно!).
Было бы довольно глупо физику полагать, что какие-то паршивые 50 мВт/кв.м могут превратить недра в магму, а мы тут будем прыгать и веселиться вместо того чтобы поджариваться на раскалённой сковородке.
но если я хожу по льду реки, а снизу относительно теплая вода, то как, Карл! она вся не замерзает?!
отвечать не надо. всего хорошего
Потому что в реке ничтожная температурная разница на границе фаз.
А в этой теме задвигают, что 99.999% Земли расплавленная магма за тысячу градусов, а тоооненькая плёночка на поверхности видите ли во многих местах аж вечная мерзлота ниже нуля.
Я так и не могу понять куда всё это тепло изнутра девается миллиардами лет? Жидорептилоиды воруют?
Какой-то простофиля про застывание стали начал задвигать... Офигеть! Его бы руку взять и к этой "застывшей" стали прибить - сразу бы дошло, сцуко!
Паноптикум дебилов собрался в выходной день, ТБМ. (c)Лавров
Слыш, ихтилигент, будешь в таком тоне вести дискуссию, за мной не заржавеет.
Тоже мне недебил объявился!
В мозгах надо мозговое вещество иметь, а не дух пердячий.
А в иглу, которые строят эскимосы, полностью из снега, температура внутри иглу может достигать +30, в то время, как снаружи доходить до -60. Толщина снега 20-30 см, и он держит разницу почти в 100 градусов. Снег снаружи и внутри холодный.
Иди поспорь с ученными-геофизиками, которые в большинстве поддерживают современную теорию строения Земли с которой ты споришь. Расскажи им свои сказки, что планету разорвет от избытка теплоты.
1. Сколько ваше иглу проживёт, если вы запрётесь и изнутри постоянно будете греть? День? Неделю? Месяц?
И это ещё разница температур сильно меньше 100 градусов при метровой теплоизоляции воздухом и снегом.
Непохоже на расплавленный шар с оболочкой в виде тонюсенькой плёночки, об которую проще обморозиться, чем обжечься.
2. Обращение к авторитету (лат. Argumentum ad verecundiam — «аргумент к скромности»), вид ошибочной логической аргументации — предложение считать некоторое утверждение корректным потому, что такое утверждение сделано неким источником, считающимся авторитетным.
Логическая ошибка заключается в том, что истинность или ложность высказывания может не зависеть от мнения используемого авторитетного источника; кроме того, авторитетный источник может ошибаться в выводах, даже основываясь на корректных предпосылках[1].
Пример с иглу, - некорректный.
во первых снег, гад прозрачный в ИК диапазоне, и иглу имеет просто сумасшедшие теплопотери через прямое излучение занычившегося там эскимоса в окружающую среду. Поэтому снег стен долго остается ненагретым лучистым теплом этого самого эскимоса. Литосфера Земли как раз наоборот, - непрозрачна, и там участвуют все способы теплообмена, - лучистый перенос тепла, контакт нагретых масс, и конвекция.
При таком раскладе ответы на вопросы Дирижера неочевидны, и как минимум требуют обоснованных, с цифрами ответов.
Вы видели как застывавает сталь в литейном цехе?
Сначала именно тонкой коркой.
Так и Земля остывала.
Также процесс теплообразования в Земле еще продолжается за счет ядерного распада, за счет нагревания за счет приливных волн, образующихся в системе Земля-Солнце и Земля -Луна.
"Геотермальная энергия — это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью."(c)
Вы тут решили передёрнуть? Но со мной этот фокус не пройдёт. Я вас сам продам, куплю, и снова продам, но уже дороже!!! :-)))
Сталь застывает только потому что источник тепла отключён. Объяснять этот убийственный факт взрослым мужикам - всё равно что учить пацана попадать в писсуар. Мне очень стыдно за свои комментарии в этой теме. Как будто в абизьяннике побывал, пообщался с "двуногими без перьев".
Какое феноменальное "воинствующее невежество"! Но, если Вы чего-то не замечаете, это не значит, что его нет.
Вам известно, что такое тектоническая активность Земли - ну, там материки двигаются, сталкиваются - горы образуются?
Вот на эти процессы и расходуется выделяющаяся в недрах Земли энергия.
Сколько образуется, столько и выделяется.То что там внутри горячее, чем на поверхности это не значит, что там много тепла образуется.
Земля это не звезда с термоядерными реакциями.
Просто воинствующее невежество агрессирует не по делу.
Думает, что все дураки, один он умный и видит якобы очевидные нестыковки в общепризнанной теории.
"это не значит, что там много тепла образуется"(c)
Ну и нафига оно тогда нужно?
Верно. Но верно и обратное: раз выделяется мало (в десятки тысяч раз меньше, чем от Солнца, то и образуется мало. А раз образуется мало, - откуда огромные массы расплавленных веществ, по которым !плавает! тончайший слой
окалиныземной коры.Так что Дирижер хороший вопрос задает.
Было бы интересно провести на орбите, в невесомости, эксперимент. - расплавляем СВЧ килограмм железных опилок с песком в соотношении 1/4 (так вроде соотносятся железо и силикаты в составе Земли), слегка закручиваем получившуюся каплю вокруг своей оси, и смотрим как она себя ведет. Эксперимент провести в дух средах, - в воздухе и в вакууме.
Понято, что если бы образование глубинного тепла было интенсивнее, то это компенсировалось бы более сильной теплоотдачей и тогда возможно мы бы жили не в 10-70 км от мантии, а в 200-500 метров или вообще зажарились.
Тот эксперимент, о котором вы говорите, был бы интересен.
Что же до интересного вопроса Дирижера, то безусловно он интересный, но такой расчет, сколько образуется, а сколько теряется, нужно производить количественно.
А это серьезная научная работа, на уровне Нобелевской премии.
Мы же можем говорить только качественно, то есть предполагать.
Внутренне тепло Земли сейчас образуется за счет ядерного распада трансурановых элементов, нагрева за счет преобразования приливных волн мантии в тепло в системе Земля-Луна, Земля-Солнце, а также за счет гравитационного падения сквозь расплавленную мантию более тяжелых молекул в центру Земли (забыл как эта херня по-научному называется).
Как это рассчитать количественно, даже боюсь представить!
Но такая научная неопределенность дает возможность делать нападки на сами принципы теории, как это делает Дирижер.
Сами нападки вполне терпимы, а вот зачем хамить?
В том то и вопрос, - я нигде не видел уравнения теплового баланса Земли. Более того, никто из серьезных авторов даже и вопроса такого не поднимает. Прям как сговорились. Я вот кстати при всей очевидной первостепенной важности данного вопроса, - тоже до настоящего момента незадумывался об этом. Прям морок какой то навели.
Довольно неловко получилось. И мне совершенно очевидно что строить без него любые теории строения Земли. - это чистейший бред. Ведь любую "теорию" будет элементарно проверить на первичную корректность просто составлением уравнения теплового баланса.
Так что я понимаю раздражение Дирижера, что народ влет не вкуривает такую очевидность. Она ИМХО, вполне обоснована и поэтому меня не задевает. Я скорее на себя злюсь, что сам недодумался.
Кроме того Дирижер - известный местному сообществу любитель резкостей. Но вполне осознанный и безропотно несет сопутствующие наказания. Даже на моей памяти это его третья реинкарнация, предыдущие были выпилены за ершистость. А с вами он практически ласково разговаривает (по его меркам)
Молодой человек, а как вы рассчитаете эти вопросы методом прямого наблюдения мантии, если это можно рассчитать только косвенно, по выходному тепловому потоку, так как самая глубокая скважина достигнутая человечеством всего 11 км глубиной и мантии не достигает?
Это будет оставаться теорией и со стороны геофизиков, и со стороны оппонентов, таких как Дирижер, пока такие методы не появятся.
Пока приходится работать на косвенных данных и современных физических теориях.
Не выдумывай.
Опять личное ЭГО прет?
выпей йоду
Ты сегодня что-то слишком краток.
Обычно тебя больше прет.
Болеешь небось.
Выздоравливай.
Странно. Я думал, что материки двигаются под действием гравитации.
На горообразование действительно тратится энергия. Но на фоне объёма Земли, разогретой до тысяч градусов, это абсолютно ничтожная доля.
Никак не объясняет факты, что никаких гор вокруг меня в радиусе тысячи километров не образовывалось многие миллионы лет, под ногами в глубину тысячи километров расплавленной магмы, а на улице снег и лёд. Какого хрена, что за чушь?
Правдоподобнее версия, что никакого источника тепла в глубине Земли нет. Земля давно остывает.
Но и она не объясняет почему вдруг получилась именно такая тонюсенькая пленочка на поверхности с температурным градиентом далеко за тысячу градусов. Не жидорептилоиды же напылили на Землю прекрасный теплоизоляционный материал.
Позвольте полюбопытствовать - каким образом, на Ваш взгляд, материки могут двигаться под действием гравитации?
Если Вы действительно хотите, хотя бы слегка, разобраться в этом вопросе, то найдите в сети книгу - "Развитие Земли" авторы О.Г.Сорохтин, С.А.Ушаков.
http://www.gemp.ru/tom/3.html
Хотя можно найти книгу и в виде pdf-файла.
О, спасибо, сейчас почитаю, особенно про энергетику Земли.
Хороший вопрос, кстати. Надо бы будет разобраться...
Логикатепловой баланс подсказывает, что если источник есть, то источник должен быть слабенький, а тепло должно расходоваться на изменение фазного состояния (плавление) приличных объемов вещества, которое должно непрерывно поступать в глубины.Если источника нет, то выключится он должен был относительно недавно, иначе планета успела бы остыть. Средняя удельная теплоемкость-то нашей старушки относительно невысокая..
Но это так, - домыслы и мысли в слух. Разбираться надо.
На Северном Кавказе еще рек много не застроено ГЭС. Никто не будет бурить если можно строить ГЭС. С Камчаткой тоже самое. Остается Северный Прикаспий вопрос в том как наладить переброс новых (замену) мощностей
Все бы было хорошо, дармовая энергия. Но есть огромное НО, при пробуренной геотермальной скважине трубы забиваются солями буквально за месяцы и скважина выходит из строя. А источников с кипятком буквально единицы и они почти все уже используются. Так что статья практически бесполезная.
Все верно.
Но только в сильноминерализованных гидротермах не за несколько месяцев , а лет за 10.
Иначе на Камчатке уже ни одна из ГэоТЭС не работала.
На Камчатке не скважины, а используются источники и применяются два контура. Все горячие источники засолены, но забиваются только скважины. Кроме того, из-за отложений быстро теряется теплоотдача.
Скважины, скважины:
Страна №1 по потреблению нефти на душу населения. Эталон, ага.
Очень даже похоже на эталон: http://aftershock.news/?q=node/322977
Запасы геотермальной энергии составляют всего около 1% от доступной нам теоретически энергии Земли. Нет и не будет никакой массовой геотермальной энергетики (то есть энергетике основанной на выходе на поверхность высокотемпературных вод и прочего) именно потому что это явление скорее уникальное, чем повсеместное, зоны таких выходов невелики, расположены часто вдали от обжитых мест и главное, - тепловой поток от них все таки относительно невелик, и не позволяет в принципе создавать агрегаты с высокой единичной мощностью. Те места на планете где эти негативные факторы не действуют, как правило энергетиками уже окучены. Кроме того, - там есть большие проблемы со сроком службы скважин и экологией:
Таким образом в нашей стране это решение очень и очень нишевое.
А вот петротермальная энергетика, которая основана на глубоких (технически доступных) скважинах и тепле сухих горных пород имеет громадные запасы, прекрасные перспективы, но ограничена технологиями дешевого бурения. Ситуация схожа с газогидратами - огромные потенциальные запасы при отсутствии доступных и безопасных технологий:
Кстати, для желающих, - если я ничего не путаю, камрад BERES имеет что сказать по вопросу глубокого и дешевого бурения как раз под нужды петротермальных станций. Если вам удастся его затащить в это обсуждение, - не пожалеете.
Да, именно в петротермальной энергетике видится решение всех энергетических проблем человечества.
И если бы в разработку дешевого или просто не слишком дорогого способа свехглубокого бурения было вложено столько усилий, сколько вложено в недопиленный термояд, то думаю, эта проблема была уже если не решена, то была бы близка к решению.
По моим сведениям камрад BERES имеет что сказать по этому поводу вполне профессионально. Рекомендую.
Будем ждать BERESа.
На вид есть интересное место на севере ЯНАО, там и скважин набурено много
Отличная фантастика на эту тему: "В. Обручев. Тепловая шахта". Раз пять перечитывал...;-)
http://popular.geo.web.ru/materials/library/obruchev/hot.html
и капля дёгтя от меня- в окрестностях славного города Базеля попытались с этим ксперементировать на глубине 300 м. закачали воду произошло миниземлетрясение местного масштаба. все эксперементы прекратили.
При чтении статьи почему-то сланцы лезли из памяти)
Там ведь протяженные горизонтальные скважины в пластах подверженных термическому разложению, т.е. горячих "по умолчанию", да еще и неоднократно подвергаемые гидроразрыву- чем не "радиатор"?) Продукты разложения сланцев- легкие углеводороды, т.е. вполне себе теплоноситель который ничем не хуже воды, а местами и лучше...
3.000-4.000 метров сланцевых скважин мало, надо 7.000-10.000.
почему "мало"? откуда такая оценка?
Для пертротермальной мало, для нее оптимально 7.000-10.000.
Да вот отсюда, конечно же:
И из формулы КПД идеального теплового двигателя:
Легко посчитать что при глубине 7 000м и температуре окружающего воздуха 20оС максимально теоретически возможный КПД установки в Крыму составит 95%, а внаукраине - 73% Но для реального диапазона мощностей идеальные цифры КПД надо делить на 2-3. Отсюда получаем классические для тепловых двигателей 20-40%
Само собой если вас устраивает низкий КПД, вы построив гораздо более громоздкую и дорогую установку, можете попробовать обойтись и менее глубокой скважиной, но тут проблемка в том, что собственные энергетические расходы установки (циркуляция теплоносителя и прочее) слопают львиную долю выработанной мощности.
Кроме того глубокие скважины с высокой температурой позволяют использовать в качестве теплоносителя дешевую воду, а неглубокие вынуждают использовать дорогущий фреон.
В целом глубина конкретной скважины вопрос индивидуальный. Но вам дали диапазон глубин, на которых результат гарантирован.
Уже настораживает
Собственно почти ответ. Если ГеоТЭС (геотермальная) имеет э. затраты 0.6 - 3 рубля, то петротермальная, допустим, в 2 раза выше. То есть 1.2 - 6 рублей. При сегодняшней стоимости для населения (конечный потребитель, включая доставку) 2 - 4 рубля, выводы не в пользу Гео.
У нас в Томске (Западная Сибирь) построили ребята детский садик, в виде эксперимента, с геотермальным отоплением. Утеплили как положено, с использованием современных технологий. В приватном разговоре заявили, что овчинка выделки не стоила т.к. стоимость электроэнергии для детских учреждений как раз повысилась до промышленных расценок, и стало даже убыточно. Не знаю, сколько сейчас электроэнергия для пром. предприятий стоит, но была инфа что в 2-3 раза выше, чем для частных потребителей. То есть 6 - 12 руб.
Так что, не взлетит пока. Надо технологии допиливать ещё полвека. А с учётом кризиса, и того боле - технологии без вливаний не развиваются.
относительно цен, - ну ерунда же. Смотрим пример с гидроразрываом и горизонтальными скважинами, - за время сланцевой революции стоимость метра такой сложной скважины упала раз в пять. То что вначале было уникальным, стало обыденным.
Относительно технологий, - да допиливать надо, но при желании можно уложиться в гораздо меньшие сроки. При желании.
Относительно ДС пример некорректный. Ребята просто считать правильно не умеют. Хотя сама инициатива заслуживает одобрения.
С гидроразрывом не всё так однозначно. Говорю вам, как дочь техасского буровика. Тут у моей знакомой нефтедобывной компании был, можно сказать, хороший контакт с техасскими буровиками. Ещё 3 года назад у них было 16 буровых установок, а сегодня - одна. И прутся ажно в Западную Сибирь в надежде поймать хоть какой-то профит, а то, говорят, "кушать хочется, аж слюной давятся".
------------
А ребята с Детсадом считать умеют т.к. по большей части этим занимаются. У них бизнес такой - ооочень дешево строить.
Уводите в сторону.
Страницы