Геотермальні електростанції: переваги та недоліки

У надрах землі знаходяться безмежні запаси скарбів, про які давно відомо людині і якими вона благополучно користується. Всі ми пам’ятаємо про корисні копалини, активно застосовуємо в повсякденному житті газ, нафту, вугілля, носимо вироби зі срібла, золота, дорогоцінних каменів, але забуваємо про один великий скарб – геотермальну енергію. Що це таке і в чому її цінність?

Особливості та принцип роботи геотермальних електростанцій

Вважається, що геотермальна енергія – один із найбільш вигідних джерел енергії. Значна частина цієї енергії знаходиться в магмі. Тепло Землі – справжня перлина, яка має ряд переваг перед енергією газу, нафти й атома. Якщо перерахувати на мегават-години кількість підземного тепла, яке щорічно піднімається на поверхню, то вийде 100 мільярдів! Це значно перевищує кількість споживаної енергії на планеті. Все більше і більше домогосподарств у всьому світі інвестують в геотермальну енергію, будуючи геотермальні електростанції (ГеоТЕС), щоб зменшити свої витрати. Ці станції отримують тепло Землі шляхом буріння парових або водяних свердловин і використовують дану енергію для нагріву води або будь-якого іншого типу рідини. Потрібно це для того, щоб обертати генераторні турбіни, що виробляють енергію, яка потім розподіляється серед споживачів. Далі рідина охолоджується за допомогою конденсатора і повертається на землю.

Згідно з типологією Міжнародного енергетичного агентства (МЕА), розрізняють 5 типів джерел геотермальної енергії:

  • суха пара;
  • волога пара (гаряча вода + пара);
  • геотермальні води (гаряча вода або пара + вода);
  • сухі гарячі кам’яні породи, розігріті магмою;
  • магма.

Існує три методи перетворення геотермальної енергії в електрику (рис. 1). І зумовлено це двома факторами: станом середовища (вода або пара) та температурою породи.

Рис. 1. Принципи роботи ГеоТЕС. Джерело: онлайн-видання ENERGY EDUCATION – Geothermal power plants, Aug’17
Рис. 1. Принципи роботи ГеоТЕС. Джерело: онлайн-видання ENERGY EDUCATION – Geothermal power plants, Aug’17

Прямий метод передбачає використання сухої пари. The Geysers (Північна Каліфорнія) – одна з найвідоміших ГеоТЕС такого типу, загалом в цей комплекс входить 22 геотермальні електростанції (фото 1).

Фото 1. Одна з 22 ГеоТЕС на сухій парі, The Geysers, Каліфорнія, США. Джерело: онлайн-видання MachineDesign – The World’s Largest Geothermal Field: 22 Power Plants, More Than 350 Wells, Apr’18
Фото 1. Одна з 22 ГеоТЕС на сухій парі, The Geysers, Каліфорнія, США. Джерело: онлайн-видання MachineDesign – The World’s Largest Geothermal Field: 22 Power Plants, More Than 350 Wells, Apr’18

Непрямий метод – використання водяної пари. При цьому температура води повинна бути понад 180 °C, щоб під власним тиском текти вгору через свердловину. Варто зазначити, що це нижча температура, ніж у сухих парових установок. Коли тиск зменшується, частина води «спалахує» у вигляді пари, яка проходить через секцію турбіни. Решта води, що не стала парою, повертається назад в свердловину і може повторно використовуватися для опалення. Вартість цих систем збільшується через більш складні механізми, проте вони все ще можуть конкурувати зі звичайними джерелами живлення. Чимало прикладів таких станцій є в Ісландії, належать вони компанії Orkuveita Reykjavikur, фото 2.

Фото 2. Геотермальна електростанція на водяній парі, Ісландія. Джерело: онлайн-видання Conserve Energy Future – 30+ Surprising Facts About Geothermal Energy
Фото 2. Геотермальна електростанція на водяній парі, Ісландія. Джерело: онлайн-видання Conserve Energy Future – 30+ Surprising Facts About Geothermal Energy

Змішаний, або ж бінарний метод – використання геотермальних вод у поєднанні з допоміжною рідиною (наприклад, фреоном). Згідно з прогнозами, в майбутньому бінарні електростанції стануть найчастіше використовуваним типом ГеоТЕС. Це пов’язано з тим, що для установок бінарного циклу підходить вода з нижчою температурою. Також вони не виділяють ніяких викидів, крім водяної пари. А, наприклад, установки з «сухим паром» виділяють парникові гази. Звичайно, вони становлять лише восьму частину від викидів вугільних електростанцій, а втім це теж викиди. Приклад бінарної установки ГеоТЕС на фото 3.

Фото 3. Геотермальна електростанція Galena III компанії Ormat, Рено, штат Невада, США. Джерело: онлайн-видання Think Geoenergy – Pictures: Field trip Steamboat Geothermal Power Plant Complex, Nevada, Jan’19
Фото 3. Геотермальна електростанція Galena III компанії Ormat, Рено, штат Невада, США. Джерело: онлайн-видання Think Geoenergy – Pictures: Field trip Steamboat Geothermal Power Plant Complex, Nevada, Jan’19

Хоча існують різні види геотермальних електростанцій, всі вони виконують одну й ту ж основну функцію – вловлюють пару, що піднімається, або гарячу воду та використовують для живлення електричного генератора. Звичайно ж, у геотермальних електростанцій є свої плюси та мінуси, давайте розглянемо їх детальніше.

Переваги ГеоТЕС

Геотермальні електростанції мають багато переваг.

  • Відносно екологічно чисті. На відміну від вугільних електростанцій, на геотермальних використовується відновлюване джерело тепла, яке має постійний запас. Дослідження показали, що в галузі задіяні всього 6,5% від загального світового потенціалу, а це означає, що енергії вистачить ще на багато років. Крім того, кількість парникового газу від ГеоТЕС становить всього 5% від того, що виділяють вугільні електростанції.
  • Більша кількість енергії. ГеоТЕС мають велику потужність – вони можуть вагомо допомогти в задоволенні попиту на енергію, який росте з кожним роком як в розвинених країнах, так і в країнах, що розвиваються.
  • Стабільні ціни. Звичайні електростанції залежать від палива, тому вартість виробленої ними електроенергії коливається, виходячи з ринкової ціни на паливо. Оскільки ГеоТЕС не використовують паливо, то їм не потрібно враховувати його вартість, і вони можуть запропонувати своїм споживачам стабільні витрати на електроенергію.
  • Низькі експлуатаційні витрати. Геотермальні установки вимагають мінімального обслуговування порівняно з традиційними електростанціями. В результаті вони надійні і дешеві в експлуатації.
  • Відновлюване і стійке джерело. Геотермальна енергія ніколи не закінчиться, на відміну від невідновлюваних джерел енергії. Поки земля підтримує життя, геотермальна енергія буде існувати, ГеоТЕС будуть працювати.
  • Постійне енергопостачання. На відміну від інших відновлюваних джерел енергії, геотермальна може забезпечувати постійне енергопостачання – 24 години на добу, 7 днів на тиждень, 365 днів на рік незалежно від зовнішніх факторів. Наприклад, сонячні батареї можуть виробляти електрику тільки протягом дня, а вітрові турбіни виробляють енергію лише при достатньому вітрі.
Рис. 2. Коефіцієнт доступності геотермальної енергії порівняно з іншими відновлюваними джерелами енергії. Джерело: онлайн-видання Greenmatch – Advantages and Disadvantages of Geothermal Energy – The Source of Renewable Heat, Dec’18
Рис. 2. Коефіцієнт доступності геотермальної енергії порівняно з іншими відновлюваними джерелами енергії. Джерело: онлайн-видання Greenmatch – Advantages and Disadvantages of Geothermal Energy – The Source of Renewable Heat, Dec’18
  • Незначна площа. Займають менше місця, ніж їх вугільні, нафтові та газові еквіваленти. Хоча вони будуть сягати далеко під земною поверхнею, їхня площа буде незначною.
  • Малошумна робота. При виробництві геотермальної енергії мало шуму. Основним джерелом шуму є вентилятори, які знаходяться в системах охолодження. Щоб знизити його рівень, інженери можуть встановлювати в генераторних цехах матеріали з високими демпфуючими властивостями. Це допомагає зменшити шумове забруднення.
  • Енергетична безпека. Використовуючи місцеві геотермальні ресурси, скорочується потреба в постачанні джерел з інших країн, що, в свою чергу, знижує залежність від зовнішніх впливів і допомагає підвищити нашу енергетичну безпеку.

Недоліки ГеоТЕС

Як часто буває, деякі плюси можуть плавно переходити в мінуси, все буде залежати від того, під яким кутом розглядати те чи інше питання. Недарма кажуть, що у монети – дві сторони. Отже, недоліки геотермальних електростанцій.

  • Екологічна проблема. Збитком для навколишнього середовища може стати високе споживання прісної води, що, в кінцевому результаті, призведе до її дефіциту. Рідини, які добуваються з землі в процесі буріння, містять велику кількість токсичних хімічних речовин (в тому числі миш’яку і ртуті), а також парникових газів (таких як сірководень, вуглекислий газ, метан, аміак і радон). Якщо вони неправильно утилізуються або обробляються, то можуть потрапити в атмосферу або просочитися в ґрунтові води і завдати шкоди довкіллю та здоров’ю людей.
  • Географічні обмеження. Геотермальна активність найбільш висока уздовж тектонічних ліній розломів у земній корі. Саме в цих місцях геотермальна енергія має найбільший потенціал. Недолік у тому, що лише деякі країни можуть використовувати геотермальні ресурси. Тому, з огляду на географічні особливості, такі країни є основними виробниками геотермальної енергії: США, Ісландія, Кенія, Індонезія, Філіппіни, Мексика. Недарма ГеоТЕС цих країн увійшли до рейтингу найбільших у світі станом на березень 2018 року (у мегаватах), рис. 3.
Рис. 3. Рейтинг найбільших геотермальних станцій у світі 2018. Джерело: The Statistics Portal – World's largest geothermal stations 2018, Mar’2018
Рис. 3. Рейтинг найбільших геотермальних станцій у світі 2018. Джерело: The Statistics Portal – World's largest geothermal stations 2018, Mar’2018
  • Сейсмічна нестабільність. Є підстави вважати, що геотермальні споруди викликали підземні поштовхи в різних частинах світу. Незважаючи на те, що сейсмічна активність часто незначна, вона може призвести до пошкодження будівлі, травм і смерті. У 2006 році вчені звинуватили проект геотермальної розвідки в Базелі (Швейцарія) в тому, що він викликав серію землетрусів. Деякі з цих землетрусів були оцінені в 3,4 бала за шкалою Ріхтера. Подальші дослідження в 2011 році виявили сильну кореляцію між геотермальною розвідкою та сейсмічною активністю.
  • Дороге будівництво. ГеоТЕС вимагають значних інвестицій. Хоча вони мають низькі експлуатаційні витрати, вартість їх будівництва може бути набагато вищою, ніж вугільних, нафтових і газових електростанцій. Значна частина цих витрат стосується розвідки і буріння геотермальних енергетичних ресурсів. Традиційні електростанції не потребують розвідки і/або буріння. Ще ГеоТЕС вимагають спеціально розроблених систем опалення та охолодження, а також іншого обладнання, здатного витримувати високі температури.
  • Можливе вичерпання. Дослідження показують, що без ретельного управління геотермальні резервуари можуть вичерпатися. У таких випадках ГеоТЕС стануть непотрібними, поки резервуар не відновиться. Єдиний невичерпний варіант – це отримання геотермальної енергії прямо з магми, але дана технологія все ще перебуває в процесі розробки. Цей варіант вартий вкладень хоча б тому, що магма буде існувати мільярди років.

Потенціал геотермальної енергії

Очевидно, що геотермальна енергія має досить серйозний потенціал і буде відігравати важливу роль в майбутньому. В Європі використовують геотермальне тепло для різних потреб, але найбільше – для вироблення електроенергії, обігріву та охолодження будинків. Тільки 2017 року в Європейському Союзі, зокрема  у Франції, Італії та Нідерландах, введено в експлуатацію дев’ять станцій з новою потужністю в 75 МВт. Очікується, що до 2023 року глобальна потужність геотермальної енергії зросте до 17 ГВт, при цьому найбільше збільшення потужності буде в Індонезії, Кенії, Філіппінах і Туреччині (рис. 4).

Рис. 4. Виробництво геотермальної енергії та сукупна потужність по регіонах, 2017-2023. Джерело: Website of the International Energy Agency – Geothermal energy
Рис. 4. Виробництво геотермальної енергії та сукупна потужність по регіонах, 2017-2023. Джерело: Website of the International Energy Agency – Geothermal energy

Деякі дослідники вважають, що геотермальна енергія зрештою буде складати близько 1/6 від світового енергопостачання, інші ж, навпаки, дають їй мінімальний шанс на подальше існування… Чи інвестувати в будівництво геотермальної електростанції – вибір за вами. У будь-якому разі це буде невід’ємна частина відновлюваної енергії, що живить світ, оскільки рано чи пізно корисні копалини/горючі корисні копалини зникнуть із поля зору.