Геотермальные электростанции: преимущества и недостатки

В недрах земли находятся необъемные запасы сокровищ, о которых давно известно человеку и которыми он благополучно пользуется. Все мы помним о полезных ископаемых, активно применяем в повседневной жизни газ, нефть, уголь, носим изделия из серебра, золота, драгоценных камней, но забываем об одном большом кладе – геотермальной энергии. Что это такое и в чем ее ценность?

Особенности и принцип работы геотермальных электростанций

Считается, что геотермальная энергия – один из наиболее выгодных источников энергии. Большая часть этой энергии находится в магме. Тепло Земли – настоящая жемчужина, у которой ряд преимуществ перед энергией газа, нефти и атома. Если пересчитать на мегаватт-часы количество подземного тепла, которое ежегодно выходит на поверхность, то получится 100 миллиардов! Это значительно превосходит количество потребляемой энергии на планете. Все больше и больше домохозяйств по всему миру инвестируют в геотермальную энергию, строя геотермальные электростанции (ГеоТЭС), чтобы сократить свои расходы. Эти станции получают тепло Земли 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 с помощью конденсатора и возвращается на землю.

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

Рис. 1. Принципы работы ГеоТЭС. Источник: онлайн-издание ENERGY EDUCATION – Geothermal power plants, Aug’17
Рис. 1. Принципы работы ГеоТЭС. Источник: онлайн-издание ENERGY EDUCATION – Geothermal power plants, Aug’17

Прямой метод подразумевает использование сухого пара. The Geysers (Северная Калифорния) – одна из самых известных ГеоТЭС такого типа, в общей сложности в этот комплекс входит 22 геотермальные электростанции (фото 1).

Фото 1. Одна из 22 ГеоТЭС на сухом пару, The Geysers, Калифорния, США. Источник: онлайн-издание MachineDesign – The World’s Largest Geothermal Field: 22 Power Plants, More Than 350 Wells, Apr’18
Фото 1. Одна из 22 ГеоТЭС на сухом пару, The Geysers, Калифорния, США. Источник: онлайн-издание MachineDesign – The World’s Largest Geothermal Field: 22 Power Plants, More Than 350 Wells, Apr’18

Непрямой метод – использование водяного пара. При этом температура воды должна быть выше 180 °C, чтобы под собственным давлением течь вверх через скважину. Хотя это более низкая температура, чем у сухих паровых установок. Когда давление уменьшается, часть воды «вспыхивает» в виде пара, который проходит через секцию турбины. Оставшаяся вода, которая не стала паром, возвращается обратно в скважину и может также использоваться для отопления. Стоимость этих систем увеличивается из-за более сложных механизмов, однако они все еще могут конкурировать с обычными источниками питания. Немало примеров таких станций есть в Исландии, принадлежат они компании Orkuveita Reykjavikur, фото 2.

Фото 2. Геотермальная электростанция на водяном пару, Исландия. Источник: онлайн-издание Conserve Energy Future – 30+ Surprising Facts About Geothermal Energy
Фото 2. Геотермальная электростанция на водяном пару, Исландия. Источник: онлайн-издание Conserve Energy Future – 30+ Surprising Facts About Geothermal Energy

Смешанный, или же бинарный метод – использование геотермальных вод в сочетании со вспомогательной жидкостью (например, фреон). По прогнозам, в будущем бинарные электростанции станут наиболее часто используемым типом ГеоТЭС. Это связано с тем, что для установок бинарного цикла подойдет вода с более низкой температурой. Также они не выделяют никаких выбросов, кроме водяных паров. А, к примеру, установки с «сухим паром» выделяют парниковые газы. Конечно, они составляют только 1/8 от выбросов угольных электростанций, но тем не менее это тоже выбросы. Пример бинарной установки ГеоТЭС на фото 3.

Фото 3. Геотермальная электростанция Galena III компании Ormat Рено, штат Невада, США. Источник: онлайн-издание Think Geoenergy – Pictures: Field trip Steamboat Geothermal Power Plant Complex, Nevada, Jan’19
Фото 3. Геотермальная электростанция Galena III компании Ormat Рено, штат Невада, США. Источник: онлайн-издание Think Geoenergy – Pictures: Field trip Steamboat Geothermal Power Plant Complex, Nevada, Jan’19

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

Преимущества ГеоТЭС

Геотермальные электростанции имеют много преимуществ.

  • Относительно экологически чистые. В отличие от угольных электростанций, на геотермальных электростанциях используется возобновляемый источник тепла, который имеет постоянный запас. Исследования показали, что в отрасли задействовано всего 6,5% от общего мирового потенциала, а это означает, что энергии хватит еще на многие годы вперед. Кроме того, количество парникового газа от ГеоТЭС составляет всего 5% от того, что выделяют угольные электростанции.
  • Большее количество энергии. ГеоТЭС имеют большую мощность – они могут весомо помочь в удовлетворении спроса на энергию, который растет с каждым годом как в развитых странах, так и в развивающихся.
  • Стабильные цены. Обычные электростанции зависят от топлива, поэтому стоимость производимой ими электроэнергии колеблется в зависимости от рыночной цены топлива. 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.
  • Возобновляемый 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 год вне зависимости от внешних факторов. К примеру, солнечные батареи могут производить электричество только в течение дня. Точно так же ветровые турбины производят энергию только при достаточном ветре.
Рис. 2. Коэффициент доступности геотермальной энергии по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии. Источник: онлайн-издание Greenmatch – Advantages and Disadvantages of Geothermal Energy – The Source of Renewable Heat, Dec’18
Рис. 2. Коэффициент доступности геотермальной энергии по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии. Источник: онлайн-издание Greenmatch – Advantages and Disadvantages of Geothermal Energy – The Source of Renewable Heat, Dec’18
  • 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 являются вентиляторы, содержащиеся в системах охлаждения. Чтобы снизить его уровень, инженеры могут устанавливать демпфирующие материалы в генераторных цехах. Это помогает уменьшить шумовое загрязнение.
  • Энергетическая безопасность. Используя местные геотермальные ресурсы, сокращается потребность в поставке источников из других стран, что, в свою очередь, снижает зависимость от внешних воздействий и помогает повысить нашу энергетическую безопасность.

 Недостатки ГеоТЭС

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. Итак, недостатки геотермальных электростанций.

  • Экологическая проблема. Ущербом для окружающей среды может стать высокое потребление пресной воды, что, в конечном результате, приведет к ее дефициту. Жидкости, которые извлекаются из земли в процессе бурения, содержат большое количество токсичных химических веществ (в том числе мышьяка и ртути), а также парниковых газов (таких как сероводород, диоксид углерода, метан, аммиак и радон). Если они неправильно утилизируются или обрабатываются, то могут попасть в атмосферу или просочиться в грунтовые воды и нанести ущерб окружающей среде и здоровью людей.
  • Географические ограничения. Геотермальная активность наиболее высока вдоль тектонических линий разломов в земной коре. Именно в этих местах геотермальная энергия имеет самый большой потенциал. Недостаток в том, что немногие страны могут использовать геотермальные ресурсы. Поэтому, ввиду географических особенностей, следующие 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.
Рис. 3. Рейтинг крупнейших геотермальных станций в мире 2018. Источник: The Statistics Portal – World's largest geothermal stations 2018, Mar’2018
Рис. 3. Рейтинг крупнейших геотермальных станций в мире 2018. Источник: The Statistics Portal – World's largest geothermal stations 2018, Mar’2018
  • Сейсмическая нестабильность. Есть основания полагать, что геотермальные сооружения вызывали подземные толчки в разных частях мира. Несмотря на то, что сейсмическая активность зачастую незначительна, она может привести к повреждению здания, травмам и смерти. В 2006 году ученые 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. Дальнейшие 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, чем угольных, нефтяных и газовых электростанций. Большая часть этих затрат касается разведки и бурения геотермальных энергетических ресурсов. Традиционные электростанции не требуют разведки и/или бурения. Еще ГеоТЭС требуют специально разработанных систем отопления и охлаждения, а также другого оборудования, способного выдерживать высокие температуры.
  • Возможное истощение. Исследования показывают, что без тщательного управления геотермальные резервуары могут истощиться. В таких случаях ГеоТЭС станут бесполезными, пока резервуар не восстановится. Единственный неистощимый вариант – это получение геотермальной энергии прямо из магмы, но данная технология все еще находится в процессе разработки. Этот вариант стоит вложений в основном благодаря тому, что магма будет существовать миллиарды лет.

Потенциал геотермальной энергии

Очевидно, что геотермальная энергия обладает довольно серьезным потенциалом и будет играть важную роль в будущем. В Европе используют геотермальное тепло для различных нужд, 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 году глобальная мощность геотермальной энергии возрастет до 17 ГВт, при этом наибольшее увеличение мощности будет в Индонезии, Кении, Филиппинах и Турции (рис. 4).

Рис. 4. Производство геотермальной энергии и совокупная мощность по регионам, 2017-2023. Источник: Website of the International Energy Agency – Geothermal energy
Рис. 4. Производство геотермальной энергии и совокупная мощность по регионам, 2017-2023. Источник: Website of the International Energy Agency – Geothermal energy

Некоторые исследователи полагают, что геотермальная энергия в конечном итоге 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, питающей мир, так как рано или поздно ископаемое топливо исчезнет из поля зрения.