Геотермальные электростанции

Считается, что геотермальная энергия – один из наиболее выгодных источников энергии. Значительная часть этой энергии находится в магме. Тепло Земли – настоящая жемчужина, имеющая ряд преимуществ перед энергией газа, нефти и атома. Если перечислить на мегаватт-час количество подземного тепла, которое ежегодно поднимается на поверхность, то получится 100 миллиардов! Это значительно превышает количество потребляемой энергии на планете. Все больше и больше домохозяйств по всему миру инвестируют в геотермальную энергию, строя геотермальные электростанции (ГеоТЭС), чтобы уменьшить свои расходы. Эти станции получают тепло на Земле путем бурения паровых или водяных скважин и используют данную энергию для нагрева воды или любого другого типа жидкости. Нужно это для того, чтобы вращать генераторные турбины, производящие энергию, которая затем распределяется среди потребителей. Далее жидкость охлаждается посредством конденсатора и возвращается на землю.

Особенности и принцип работы геотермальных электростанций

Согласно типологии Международного энергетического агентства (МЭА), различают 5 типов источников геотермальной энергии:

• сухой пар;
• влажный пар (горячая вода + пар);
• геотермальные воды (горячая вода или пар + вода);
• сухие горячие каменные породы, разогретые магмой;
• магма.

Существует три способа преобразования геотермальной энергии в электричество (рис. 1). И это обусловлено двумя факторами: состоянием среды (вода или пар) и температурой породы.

Прямой метод предполагает использование сухого пара. The Geysers (Северная Калифорния) – одна из самых известных ГеоТЭС такого типа, всего в этот комплекс входит 22 геотермальных электростанций (фото 1).

Косвенный метод – использование водяного пара. При этом температура воды должна быть более 180 °C, чтобы под собственным давлением течь вверх через скважину. Следует отметить, что это более низкая температура, чем у сухих паровых установок. Когда давление уменьшается, часть воды «вспыхивает» в виде пара, проходящего через секцию турбины. Остальная вода, не ставшая паром, возвращается обратно в скважину и может повторно использоваться для отопления. Стоимость этих систем увеличивается из-за более сложных механизмов, однако они все еще могут конкурировать с обычными источниками питания. Многие примеры таких станций есть в Исландии, принадлежат они компании Orkuveita Reykjavikur, фото 2.

Смешанный, или бинарный метод – использование геотермальных вод в сочетании со вспомогательной жидкостью (например, фреоном). Согласно прогнозам, в будущем бинарные электростанции станут наиболее часто используемым типом ГеоТЭС. Это связано с тем, что для установок бинарного цикла подходит вода с более низкой температурой. Также они не выделяют никаких выбросов, кроме водяных паров. А например, установки с «сухим паром» выделяют парниковые газы. Конечно, они составляют лишь восьмую часть от выбросов угольных электростанций, но это тоже выбросы. Пример бинарной установки ГеоТЭС на фото 3.

Хотя существуют различные виды геотермальных электростанций, все они выполняют одну и ту же основную функцию – улавливают поднимающийся пар или горячую воду и используют для питания электрического генератора. Конечно же, у геотермальных электростанций есть свои плюсы и минусы, рассмотрим их подробнее.

Преимущества ГеоТЭС

Геотермальные электростанции имеют много преимуществ.

• Относительно экологически чистые. В отличие от угольных электростанций, на геотермальных используется возобновляемый источник тепла, имеющий постоянный запас. Исследования показали, что в отрасли задействовано всего 6,5% общего мирового потенциала, а это означает, что энергии хватит еще на многие годы. Кроме того, количество парникового газа от ГеоТЭС составляет всего 5% от выделяющих угольные электростанции.
• Большее количество энергии. ГеоТЭС обладают большой мощностью – они могут весомо помочь в удовлетворении спроса на энергию, который растет с каждым годом как в развитых, так и в развивающихся странах.
• Стабильные цены. Обычные электростанции зависят от топлива, поэтому стоимость производимой ими электроэнергии колеблется исходя из рыночной цены на топливо. Поскольку ГеоТЭС не используют топливо, то им не нужно учитывать его стоимость, и они могут предложить своим потребителям стабильные затраты на электроэнергию.
• Низкие эксплуатационные расходы. Геотермальные установки требуют минимального обслуживания по сравнению с традиционными электростанциями. В результате они надежны и дешевы в эксплуатации.
• Восстанавливаемый и устойчивый источник. Геотермальная энергия никогда не закончится, в отличие от невозобновляемых источников энергии. Пока земля поддерживает жизнь, геотермальная энергия будет существовать, ГеоТЭС будут работать.
• Постоянное энергоснабжение. В отличие от других возобновляемых источников энергии, геотермальная может обеспечивать постоянное энергоснабжение – 24 часа в сутки, 7 дней в неделю, 365 дней в году вне зависимости от внешних факторов. К примеру, солнечные батареи могут производить электричество только в течение дня, а ветровые турбины производят энергию только при достаточном ветре.

• Незначительная площадь. Занимают меньше места, чем их угольные, нефтяные и газовые эквиваленты. Хотя они будут простираться далеко под земной поверхностью, их площадь будет незначительной.
  Малошумная работа. При производстве геотермальной энергии мало шума. Основным источником шума есть вентиляторы, которые находятся в системах охлаждения. Чтобы снизить его уровень, инженеры могут устанавливать в генераторных цехах материалы с высокими демпфирующими свойствами. Это помогает снизить шумовое загрязнение.
• Энергетическая сохранность. Используя местные геотермальные ресурсы, сокращается потребность в поставках источников из других стран, что, в свою очередь, снижает зависимость от внешних влияний и помогает повысить нашу энергетическую безопасность.

Недостатки геотермальных электростанций

Как часто бывает, некоторые плюсы могут плавно переходить в минусы, все будет зависеть от того, под каким углом рассматривать тот или иной вопрос. Недаром говорят, что у монеты две стороны. Следовательно, недостатки геотермальных электростанций.

• Экологическая проблема. Ущерб для окружающей среды может стать высокое потребление пресной воды, что в конечном итоге приведет к ее дефициту. Жидкости, извлекаемые из земли в процессе бурения, содержат большое количество токсичных химических веществ (в том числе мышьяка и ртути), а также парниковых газов (таких как сероводород, углекислый газ, метан, аммиак и радон). Если они неправильно утилизируются или обрабатываются, могут попасть в атмосферу или просочиться в грунтовые воды и нанести вред окружающей среде и здоровью людей.
• Географические ограничения. Геотермальная активность наиболее высока вдоль тектонических линий разломов в земной коре. Именно в этих местах геотермальная энергия обладает наибольшим потенциалом. Недостаток состоит в том, что только некоторые страны могут использовать геотермальные ресурсы. Поэтому, учитывая географические особенности, такие страны являются основными производителями геотермальной энергии США, Исландия, Кения, Индонезия, Филиппины, Мексика. Недаром ГеоТЭС этих стран вошли в рейтинг крупнейших в мире по состоянию на март 2018 года (в мегаваттах), рис. 3.

• Сейсмическая нестабильность. Есть основания полагать, что геотермальные сооружения вызвали подземные толчки в разных частях света. Несмотря на то, что сейсмическая активность часто незначительна, она может привести к повреждению здания, травмам и смерти. В 2006 году учёные обвинили проект геотермальной разведки в Базеле (Швейцария) в том, что он вызвал серию землетрясений. Некоторые из этих землетрясений были оценены в 3,4 балла по шкале Рихтера. Последующие исследования в 2011 году обнаружили сильную корреляцию между геотермальной разведкой и сейсмической активностью.
  Дорогое строительство. ГеоТЭС требуют значительных инвестиций. Хотя они имеют низкие эксплуатационные расходы, стоимость их строительства может быть намного выше угольных, нефтяных и газовых электростанций. Значительная часть этих расходов относится к разведке и бурению геотермальных энергетических ресурсов. Традиционные электростанции не нуждаются в разведке и/или бурении. Еще ГеоТЭС требует специально разработанных систем отопления и охлаждения, а также другого оборудования, способного выдерживать высокие температуры.
• Возможно истощение. Исследования показывают, что без тщательного управления геотермальные резервуары могут иссякнуть. В таких случаях ГеоТЭС станут ненужными, пока резервуар не восстановится. Единственный неисчерпаемый вариант – это получение геотермальной энергии прямо из магмы, но данная разработка все еще находится в процессе разработки. Этот вариант стоит вложений хотя бы потому, что магма будет существовать миллиарды лет.

Потенциал геотермальной энергии

Очевидно, что геотермальная энергия обладает достаточно серьезным потенциалом и будет играть важную роль в будущем. В Европе используют геотермальное тепло для различных потребностей, но больше всего – для выработки электроэнергии, обогрева и охлаждения домов. Только в 2017 году в Европейском Союзе, в частности во Франции, Италии и Нидерландах, введено в эксплуатацию девять станций с новой мощностью в 75 МВт. Ожидается, что к 2023 г. глобальная мощность геотермальной энергии возрастет до 17 ГВт, при этом наибольшее увеличение мощности будет в Индонезии, Кении, Филиппинах и Турции (рис. 4).

Некоторые исследователи считают, что геотермальная энергия будет составлять около 1/6 от мирового энергоснабжения, другие же, наоборот, дают ей минимальный шанс на дальнейшее существование… Инвестировать ли в строительство геотермальной электростанции – выбор за вами. В любом случае это будет неотъемлемая часть возобновляемой энергии, питающая мир, поскольку рано или поздно полезные ископаемые/горючие полезные ископаемые исчезнут из виду.