Геотермальная энергетика



В статье авторы исследуют более экологичные источники энергии — геотермальные источники, а также необходимость отказа от использования традиционных источников энергии и перехода на возобновляемые источники.

Ключевые слова: возобновляемые источники, энергия, геотермальные источники.

В современном мире энергетические ресурсы играют ключевую роль в поддержании экономического развития и социальной стабильности. На протяжении многих лет люди используют традиционные ископаемые источники энергии. Однако, расход топлива превышает скорость его возобновляемости, с каждым годом ресурсы исчерпываются всё сильнее, а потребность в электроэнергии всё время растёт.

Настоящим бумом XXI века также стали проблемы экологии. В связи с этим появляется ещё несколько проблем нынешней энергетики.

Гипотеза : получение необходимого человечеству количества энергии возможно без использования ограниченных природных ресурсов и загрязнения окружающей среды.

Из школьного курса физики я давно знаю об нетрадиционных источниках энергии. Однако в ходе изучения материалов по теме данной работы, меня намного больше заинтересовала геотермальная энергетика. Именно по этой причине цель данной статьи — оценка эффективности геотермальной установки, включающая в себя сравнение по основным параметрам, а также анализ мирового производства геотермальной энергии.

Актуальность этой статьи заключается в том, что необходимость в отказе от использования традиционных источников энергии и переходе на возобновляемые источники становится все больше, ведь эксплуатация возобновляемой энергии является необходимым шагом для защиты нашей планеты и обеспечения ее устойчивого будущего. Что в свою очередь позволит обеспечить безопасность всех ее жителей.

Задачи :

1. На основании анализа научной литературы по теме исследования сформулировать проблему и пути её решения;
2. Раскрыть сущность геотермальной энергии и географию районов её размещения;
3. Изучить тепловые схемы и принцип работы установок;
4. Провести сравнение по стоимости, влиянию на экологию и доступности;
5. Сформулировать вывод о проделанной работе.

Методы : анализ научной литературы по теме исследования, обработка экспериментальных данных, сравнение, описание, аналитико-статическая обработка полученных результатов исследования.

Подсчитать тепло Земли несложно. Например, температура поверхности твердого ядра Земли на глубине 5100 км составляет примерно 6000 градусов Цельсия. При приближении к земной коре температура постепенно падает [10]. Но это не значит, что температура статична, и можно легко посчитать, где бы построить станцию. Где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь. Как правило, подходящие места там, где сильная геологическая активность — часто происходят землетрясения и имеются действующие вулканы [3].

Общий потенциал геотермальной энергии можно рассматривать как неограниченный. Одним словом, геотермальная теплота — самый крупный источник энергии, доступный человеку в настоящее время. Причём эта энергии не требует сжигания топлива или создания реакторов для её получения, ведь она изначально представляет собой тепло.

Осталось разобраться, как же вышеупомянутая энергия оказывается в руках у людей. Наверняка существуют ресурсы, позволяющие людям использовать её в своих целях.

И действительно! Геотермальные ресурсы — это экономически выгодные ресурсы для извлечения и использования тепла земной коры. Эти ресурсы могут включать тепло в различных фазах — твердой, жидкой и газообразной, и могут быть использованы для удовлетворения потребностей в энергии.

Существуют пять типов источников геотермальной энергии [9]:

1. Месторождения геотермального сухого пара. Они легко разрабатываются, но редки. Половина действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;
2. Источники влажного пара (смеси пара и горячей воды). Они встречаются чаще. При их освоении появляется необходимость в предотвращении коррозии оборудования и загрязнения окружающей среды;
3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду). Это полости с водой атмосферных осадков, нагреваемые близколежащей магмой;
4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более). Запасы их энергии наиболее велики;
5. Магмы (нагретые до 1300°С расплавленные горные породы).

Среди альтернативных источников электроэнергии существуют довольно специфичные и экзотичные способы. Кроме солнца и ветра в определенных условиях используются внутренние тепловые запасы планеты, для чего и созданы геотермальные электростанции (ГеоЭС или ГеоТЭС).

Достоинства геотермальной энергетики [9]:

1. Неисчерпаемый источник;
2. Экологичность;
3. Эффективность;
4. Самообеспечение;
5. Автономность;
6. Небольшая площадь;
7. Низкое водопотребление.

Недостатки геотермальной энергетики:

1. Высокая стоимость строительства скважин;
2. Большие теплопотери;
3. Сложность выбора подходящего места для станции;
4. Присутствие вредных примесей;
5. Сложность и энергозатратность обратной закачки воды;
6. Эксплуатация скважин провоцирует землетрясения.

Полученная тепловая энергия применяется напрямую в отоплении зданий или при помощи специального оборудования превращается в электроэнергию.

Пришло время разобраться в том, какие технологии используют ГеоТЭС и по какому принципу они работают.

Разработаны три схемы производства электричества:

1. Прямая, использующая водяной пар- самая простая: применяется там, где есть прямой доступ к геотермальным парам [12];
2. Непрямая, использует не пар, а воду — вода подается в испаритель, преобразуется в пар техническим методом и направляется в турбогенератор [6]. Вода требует дополнительной очистки, потому что содержит агрессивные соединения, способные разрушить рабочие механизмы. Отработанный, но еще не остывший пар пригоден для нужд отопления;
3. Смешанная (бинарная)- вода заменяет топливо, которое подогревает другую жидкость с более высокой теплоотдачей. Она приводит в действие турбину [7].

В большинстве районов с горячими источниками тепла температура воды довольно умеренная и не превышает 200 С°, а зачастую она значительно ниже. Такая вода применяется в оборудовании с бинарным циклом и оказывается вполне пригодной для выработки электроэнергии. В данной ситуации принцип работы геотермальной электростанции следующий: помимо воды в системе применяется еще одна, специальная жидкость, с более низкой точкой кипения. Они обе проходят внутри теплообменника, где нагретая подземная вода превращает в пар другую жидкость [10]. Полученный за счет этого пар, попадает в турбину и начинает вращать лопатки. Данная система функционирует полностью в замкнутом цикле, поэтому каких-либо ядовитых выбросов в окружающую среду практически нет.

Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах — недешёвое удовольствие, но весьма выгодное по ряду причин.

Для того чтобы провести качественную оценку геотермальной энергетики, необходимо произвести следующие сравнения:

1. Сравнение по стоимости. Традиционные энергетические ресурсы обычно имеют высокую стоимость извлечения и обработки топлива, что приводит к высоким расходам на производство энергии. Возобновляемые же источники энергии, напротив, имеют более низкие операционные затраты и не требуют таких больших вложений.

Основными затратами являются очень высокие расходы на бурение и обсадку трубами глубоких скважин в горячих источниках. Эти затраты до некоторой степени окупаются относительной простой и невысокой стоимостью установки. ГеоТЭС не нужны ни топка, ни котельная установка, ни дымовые трубы или дымопоглощающие устройства. Именно поэтому стоимость электроэнергии, производимой на современных ГеоТЭС в среднем на 30 % меньше, чем у других видов альтернативной энергетики [3].

Эксплуатационные расходы и расходы на ремонт обычно также низки, что связано с простотой геотермальных установок и их работой при сравнительно низких рабочих температурах и давлениях [2].

В настоящее время, в условиях резкого роста цен на энергоносители и огромной инфляции, возрождается интерес к геотермальной энергетике, но на развитие проектов в этой сфере нужны время и средства, ведь несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые.

2. Сравнение по экологическим последствиям.Традиционные энергетические ресурсы часто ведут к загрязнению окружающей среды и выбросу парниковых газов. Не существует таких энергетических систем, которые не оказывали бы влияния на окружающую среду, однако возобновляемые источники энергии являются более экологичными и вызывают в этом плане наименьшее число возражений.

ГеоТЭС имеет те же недостатки, что и любая электростанция, но к преимуществам ГеоТЭС при этом следует отнести обычно малые их размеры и отсутствие площадей для хранения топлива, погрузочно-разгрузочных работ, оборудования для сжигания топлива, дымовых труб [3].

Шум и запахи от геотермальных систем не превышают допустимых пределов. Лишь при освоении месторождений природного пара могут возникнуть проблемы. В этом плане гидротермальные системы и системы с сухими породами обладают определенным преимуществом.

Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO ₂ на 1 кВт·ч, выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO ₂ , у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум [5].

Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар — это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу (рисунок 1).

Рис. 1. Результат воздействия геотермальной воды на металл

При соблюдении всех требований безопасности, пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.

3. Сравнение по доступности.Традиционные энергетические ресурсы имеют ограниченные запасы, их производство может быть подвержено политическим и экономическим колебаниям. Возобновляемые же источники энергии более равномерно доступны по всему миру и не зависят от геополитических факторов.

Электростанции на ископаемом топливе — природном газе, угле, мазуте — сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики.

Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (по крайней мере в результате действий человека). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300–500 °C за 1 млрд лет. Не стоит беспокоиться о том, что человечество способно ускорить этот процесс бурением скважин и закачкой туда воды [2].

Для всемирного обзора геотермальной энергетики представлены две таблицы и два рисунка.

Таблица 1

Мировое производство геотермальной энергии за 2015–2020 годы

Параметр	Значение
Общее количество скважин, пробуренных для энергетических проектов, шт	1159
Финансовые средства, потраченные на энергетические проекты, $ млрд	10367
Количество человеко-лет, выделенных на реализацию энергетических проектов	30491

В таблице 1 перечислены минимальные показатели для трёх важных параметров выработки геотермальной энергии за период 2015–2020 годов.

Таблица 2

Производство геотермальной электроэнергии в странах мира

Страна	Мощности ГеоЭС (на 2015 год), МВт	Энергия (на 2015 год), ГВт*ч/год	Мощности ГеоЭС (на 2020 год), МВт	Энергия (на 2020 год), ГВт*ч/год	Прогноз (на 2025 год), МВт	Прирост (с 2015 года), МВт
Австралия	1,1	0,5	0,62	1,7	0,31	-0,48
Австрия	1,4	3,8	1,25	2,2	2,2	-0,15
Аргентина	0	0	0	0	30	0
Бельгия	0	0	0,8	2	0,2	0,8
Венгрия	0	0	3	5.3	3	3
Гватемала	52	237	52	237	95	0
Германия	27	35	43	165	43	16
Гондурас	0	0	35	297	35	35
Индонезия	1340	9600	2289	15315	4362	949
Исландия	665	5245	755	6010	755	90
Италия	916	5660	916	6100	936	0
Кения	594	2848	1193	9930	600	599
Китай	27	150	34,89	174,6	386	7,89
Коста-Рика	207	1511	262	1559	262	55
Мексика	1017	6071	1005,8	5375	1061	-11,2
Никарагуа	159	492	159	492	159	0
Новая Зеландия	1005	7000	1064	7728	200	59
Папуа-Новая Гвинея	50	432	11	97	50	-39
Португалия	29	196	33	216	43	4
Россия	82	441	82	441	96	0
Сальвадор	204	1442	204	1442	284	0
США	3098	16600	3700	18366	4313	602
Тайвань	0,1	1	0,3	2,6	162	0,2
Турция	397	3127	1549	8168	2600	1159
Филиппины	1870	9646	1918	9893	2009	48
Франция	16	115	17	136	~25	1
Хорватия	0	0	16,5	76	24	16,5
Чили	0	0	48	400	81	48
Эфиопия	7,3	10	7,3	58	31,3	0
Япония	519	2687	550	2409	554	31
Итого	12 283,9	73 550,3	15 950,44	95 098,40	19 177,01	3666,56

В таблице 2 перечислены страны, которые в настоящее время генерируют геотермальную электроэнергию, и несколько стран, которые имеют подобный потенциал в будущем.

Количественные показатели мировой геотермальной энергетики иллюстрируются рисунках 2 и 3. На рисунке 2 показана динамика общей установленной мощности в мире с 2010 года, а на рисунке 3 — процентное изменение за каждый пятилетний период.

Рис. 2. Общая установленная мощность ГеоЭС в мире с 2010 по 2025 год

Рис. 3. Изменение установленной мощности за период 2010–2025 годов

Заметно небольшое снижение прогнозируемого прироста мощности к 2025 году. По-видимому, это связано с ценовой конкуренцией со стороны солнечной энергии, ветра и природного газа, а также нерешительностью правительств многих стран в отношении стимулирования новых геотермальных разработок.

По прогнозам Мирового энергетического совета (WEC), в соответствии с тремя сценариями (оптимистичным, базовым и пессимистичным) среднегодовые темпы роста мировой геотермальной энергетики в период с 2015 по 2060 годы составят примерно 5,4; 4,6 и 3,4 %, соответственно. Даже в оптимистическом случае темпы роста будут значительно ниже 19 %, показанных на рис. 2, для прогноза на 2020–2025 годы [12].

Подводя итоги исследования, можно сформулировать такой вывод:

Геотермальные источники энергии представляют несомненный интерес как экономически выгодные. Они имеют низкий уровень влияния на экологию, не зависят от политических и экономических факторов и во многом превосходят нынешние источники энергии.

Исследование указывает на то, что геотермальная энергетика на данный момент занимает незначительное место в мировом энергетическом балансе, хотя ее производство электроэнергии растет с каждым годом и превосходит многие альтернативные источники энергии. Геотермальная энергия может стабилизировать стоимость и доступность электрической и тепловой энергии для всего мира. Запасы ископаемых видов топлива будут исчерпаны в ближайшем будущем, и использование альтернативных источников энергии является необходимостью для предотвращения энергетического кризиса.

Литература:

1. Бабавов Г. Б. Геотермальная энергетика: всемирный обзор 2020. Часть 1: Журнал СОК № 12 / 2021–74 с. [Электронный ресурс] URL: https://www.c-o-k.ru/articles/geotermalnaya-energetika-vsemirnyy-obzor-2020-chast-1?ysclid=lsvmeorx9m267830443
2. Берман Э. Р. Геотермальная Энергия / Издательство «МИР» 411 с.
3. Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс [Электронный ресурс]: URL https://habr.com/ru/companies/toshibarus/articles/442632/
4. Дядькин Ю. Д. Извлечение и использование тепла Земли. [Электронный ресурс]: URL: https://cyberleninka.ru/article/n/izvlechenie-i-ispolzovanie-tepla-zemli/viewer
5. Комлацкий В. И. Планирование и организация научных исследований [Электронный ресурс]: учебное пособие/ В. И. Комлацкий, С. В. Логинов, Г. В. Комлацкий. — Ростов-на-Дону: Феникс, 2014. — 205 c. — Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/58980.
6. Лабейш В. Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. Пособие. — СПб.: СЗТУ, 2003. — 79 с.
7. Лукутин Б. В. возобновляемые источники электроэнергии: учебное пособие/ Б. В. Лукутин. — Томск: Изд-во Томского политехнического увниверситета, 2008. — 187 с.
8. Мокий, М. С. Методология научных исследований: учебник / М. С. Мокий, А. Л. Никифоров, В. С. Мокий. — М.: Юрайт, 2015. — 255 с.
9. Половинкин, А. И. Основы инженерного творчества [Электронный ресурс]: учебное пособие / А. И. Половинкин. — 7-е изд., стер. — СПб: Лань, 2019. — 364 с. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/123469
10. Суслов, А. Г. Наукоемкие технологии в машиностроении. [Электронный ресурс] / А. Г. Суслов [и др.]. — М.: Машиностроение, 2012. — 528 с. — Режим доступа: http://e.lanbook.com/book/5795.
11. Сухоцкий А. Б. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: курс лекций для студентов специальности 1–4 01 06 «Энергоэффективные технологии и энергетический менеджмент»/ А. Б. Сухоцкий, В. Н. Фарафонтов. — Минск: БГТУ, 2009. — 246 с.
12. Зысин Л. В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Учеб. пособие / Л. В. Зысин, В. В. Сергеев. — СПб.: Изд.-во Политехн. ун-та, 2007. — 192 с.