тепло Землі

Колектор для збору термальною борної води в Лардерелло (Італія), перша половина XIX століття.

Двигун і інвертор, що використовувалися в Лардерелло в 1904 році в першому експерименті з виробництва геотермальної електроенергії.

Принципова схема роботи теплової електростанції.

Принцип роботи ГеоЕС на сухому пару. Геотермальний пар, що надходить з видобувної свердловини, пропускається безпосередньо через парову турбіну. Найпростіша з існуючих схем роботи ГеоЕС.

Принцип роботи ГеоЕС з непрямою схемою. Гаряча підземна вода з видобувної свердловини нагнітається в випарник, а отриманий пар подається в турбіну.

Принцип роботи бінарної ГеоЕС. Гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, яка виконує функції робочого тіла і має менш високу температуру кипіння.

Схема роботи петротермальной системи. Система заснована на використанні температурного градієнта між поверхнею землі і її надрами, де температура вище.

Принципова схема холодильника і теплового насоса: 1 - конденсатор; 2 - дросель (регулятор тиску); 3 - випарник; 4 - компресор.

Мутновская ГеоЕС на Камчатці. На кінець 2011 року встановлена ​​потужність станції була 50 МВт, проте її планується збільшити до 80 МВт. Фото Тетяни Коробкова (НДЛ ВДЕ географічного факультету МДУ ім. М. В. Ломоносова.)

<

>

Використання геотермальної енергії має досить давню історію. Один з перших відомих прикладів - Італія, містечко в провінції Тоскана, нині зване Лардерелло, де ще на початку XIX століття місцеві гарячі термальні води, виливається природним шляхом або видобуваються з неглибоких свердловин, використовувалися в енергетичних цілях.

Вода з підземних джерел, багата бором, вживалася тут для отримання борної кислоти. Спочатку цю кислоту отримували методом випарювання в залізних бойлерах, а в якості палива брали звичайні дрова з найближчих лісів, але в 1827 році Франческо Лардерел (Francesco Larderel) створив систему, яка працювала на теплі самих вод. Одночасно енергію природного водяної пари почали використовувати для роботи бурових установок, а на початку XX століття - і для опалення місцевих будинків і теплиць. Там же, в Лардерелло, в 1904 році термальний водяна пара став енергетичним джерелом для отримання електрики.

Наприклад Італії в кінці XIX - початку XX століття пішли деякі інші країни. Наприклад, в 1892 році термальні води вперше були використані для місцевого опалення в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-му - в Японії, в 1928-м - в Ісландії.

У США перша електростанція, яка працювала на гідротермальної енергії, з'явилася в Каліфорнії на початку 1930-х років, в Новій Зеландії - в 1958 році, в Мексиці - в 1959-му, в Росії (перша в світі бінарна ГеоЕС) - в 1965-му .

Старий принцип на нове джерело

Вироблення електроенергії вимагає більш високої температури гідроісточніка, ніж для опалення, - більш 150оC. Принцип роботи геотермальної електростанції (ГеоЕС) схожий з принципом роботи звичайної теплової електростанції (ТЕС). По суті, геотермальна електростанція - різновид ТЕС.

На ТЕС в ролі первинного джерела енергії виступають, як правило, вугілля, газ або мазут, а робочим тілом служить водяна пара. Паливо, згораючи, нагріває воду до стану пари, яка обертає парову турбіну, а вона генерує електрику.

Відмінність ГеоЕС полягає в тому, що первинне джерело енергії тут - тепло земних надр і робоче тіло у вигляді пари надходить на лопаті турбіни електрогенератора в «готовому» вигляді прямо з видобувної свердловини.

Існують три основні схеми роботи ГеоЕС: пряма, з використанням сухого (геотермального) пара; непряма, на основі гідротермальної води, і змішана, або бінарна.

Застосування тієї чи іншої схеми залежить від агрегатного стану і температури енергоносія.

Найпростіша і тому перша з освоєних схем - пряма, в якій пар, що надходить зі свердловини, пропускається безпосередньо через турбіну. На сухому пару працювала і перша в світі ГеоЕС в Лардерелло в 1904 році.

ГеоЕС з непрямою схемою роботи в наш час найпоширеніші. Вони використовують гарячу підземну воду, яка під високим тиском нагнітається в випарник, де частина її випаровується, а отриманий пар обертає турбіну. У ряді випадків потрібні додаткові пристрої і контури для очищення геотермальної води і пара від агресивних з'єднань.

Відпрацьований пар надходить в свердловину нагнітання або використовується для опалення приміщень, - в цьому випадку принцип той же, що при роботі ТЕЦ.

На бінарних ГеоЕС гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, яка виконує функції робочого тіла з більш низькою температурою кипіння. Обидві рідини пропускаються через теплообмінник, де термальна вода випаровує робочу рідину, пари якої обертають турбіну.

Ця система замкнута, що вирішує проблеми викидів в атмосферу. Крім того, робочі рідини з порівняно низькою температурою кипіння дозволяють використовувати в якості первинного джерела енергії і не дуже гарячих термальних вод.

У всіх трьох схемах експлуатується гідротермальний джерело, але для отримання електрики можна використовувати і петротермальную енергію ( про відмінності гідротермальної і петротермальной енергії см. «Наука і життя» № 9, 2013).

Принципова схема в цьому випадку також досить проста. Необхідно пробурити дві з'єднані між собою свердловини - нагнетательную і експлуатаційну. У нагнетательную свердловину закачується вода. На глибині вона нагрівається, потім нагріта вода чи утворився в результаті сильного нагріву пар по експлуатаційної свердловині подається на поверхню. Далі все залежить від того, як використовується петротермальная енергія - для опалення або для виробництва електроенергії. Можливий замкнутий цикл із закачуванням відпрацьованого пара і води назад в нагнетательную свердловину або інший спосіб утилізації.

Недолік такої системи очевидний: для отримання достатньо високої температури робочої рідини потрібно бурити свердловини на велику глибину. А це серйозні витрати і ризик значних збитків тепла при русі флюїду вгору. Тому петротермальние системи поки менш поширені в порівнянні з гідротермальних, хоча потенціал петротермальной енергетики на порядки вище.

В даний час лідер у створенні так званих петротермальних циркуляційних систем (ПЦС) - Австралія. Крім того, цей напрямок геотермальної енергетики активно розвивається в США, Швейцарії, Великобританії, Японії.

Подарунок лорда Кельвіна

Винахід в 1852 році теплового насоса фізиком Вільямом Томпсоном (він же - лорд Кельвін) надало людству реальну можливість використання низько потенційного тепла верхніх шарів грунту. Теплонасосна система, або, як її називав Томпсон, умножитель тепла, заснована на фізичному процесі передачі тепла від навколишнього середовища до холодоагенту. По суті, в ній використовують той же принцип, що і в петротермальних системах. Відмінність - в джерелі тепла, в зв'язку з чим може виникнути термінологічний питання: наскільки тепловий насос можна вважати саме геотермальної системою? Справа в тому, що у верхніх шарах, до глибин в десятки - сотні метрів, породи і що містяться в них флюїди нагрівають не глибинним теплом землі, а сонцем. Таким чином, саме сонце в даному випадку - первинне джерело тепла, хоча забирається воно, як і в геотермальних системах, з землі.

Робота теплового насоса заснована на запізненні прогріву і охолодження грунту в порівнянні з атмосферою, в результаті чого утворюється градієнт температур між поверхнею і глибшими шарами, які зберігають тепло навіть взимку, подібно до того, як це відбувається у водоймах. Основне призначення теплових насосів - обігрів приміщень. По суті - це «холодильник навпаки». І тепловий насос, і холодильник взаємодіють з трьома складовими: внутрішнім середовищем (в першому випадку - опалювальне приміщення, в другому - охлаждаемая камера холодильника), зовнішнім середовищем - джерелом енергії і холодильним агентом (холодоагентом), він же - теплоносій, що забезпечує передачу тепла або холоду.

У ролі хладагента виступає речовина з низькою температурою кипіння, що дозволяє йому відбирати тепло у джерела, що має навіть порівняно низьку температуру.

У холодильнику рідкий холодоагент через дросель (регулятор тиску) надходить у випарник, де через різке зменшення тиску відбувається випаровування рідини. Випаровування - ендотермічний процес, що вимагає поглинання тепла ззовні. В результаті тепло з внутрішніх стінок випарника забирається, що і забезпечує охолоджуючий ефект в камері холодильника. Далі з випарника хлад-агент засмоктується в компресор, де він повертається в рідке агрегатний стан. Це зворотний процес, що веде до викиду забраного тепла в зовнішнє середовище. Як правило, воно викидається в приміщення, і задня стінка холодильника порівняно тепла.

Тепловий насос працює практично так само, з тією різницею, що тепло забирається із зовнішнього середовища і через випарник надходить у внутрішнє середовище - систему опалення приміщення.

У реальному тепловому насосі вода нагрівається, проходячи по зовнішньому контуру, покладеному в землю або водойму, далі надходить у випарник.

У випарнику тепло передається у внутрішній контур, заповнений холодоагентом з низькою температурою кипіння, який, проходячи через випарник, переходить з рідкого стану в газоподібний, забираючи тепло.

Далі газоподібний холодоагент потрапляє в компресор, де стискається до високого тиску і температури, і надходить в конденсатор, де відбувається теплообмін між гарячим газом і теплоносієм із системи опалення.

Для роботи компресора потрібна електроенергія, проте коефіцієнт трансформації (співвідношення споживаної і вироблюваної енергії) в сучасних системах досить високий, щоб забезпечити їх ефективність.

В даний час теплові насоси досить широко використовуються для опалення приміщень, головним чином, в економічно розвинених країнах.

Екокорректная енергетика

Геотермальна енергетика вважається екологічно чистою, що в цілому справедливо. Перш за все, в ній використовується поновлюваний і практично невичерпний ресурс. Геотермальна енергетика не вимагає великих площ, на відміну від великих ГЕС або вітропарків, і не забруднює атмосферу, на відміну від вуглеводневої енергетики. В середньому ГеоЕС займає 400 м2 в перерахунку на 1 ГВт електроенергії, що виробляється. Той же показник для вугільної ТЕС, наприклад, становить 3600 м2. До екологічних переваг ГеоЕС відносять також низьке водоспоживання - 20 літрів прісної води на 1 кВт, тоді як для ТЕС і АЕС потрібно близько 1000 літрів. Відзначимо, що це екологічні показники «середньостатистичної» ГеоЕС.

Але негативні побічні ефекти все ж є. Серед них найчастіше виділяють шум, теплове забруднення атмосфери та хімічна - води і грунту, а також утворення твердих відходів.

Головне джерело хімічного забруднення середовища - власне термальна вода (з високою температурою і мінералізацією), нерідко містить велику кількість токсичних сполук, в зв'язку з чим існує проблема утилізації відпрацьованої води і небезпечних речовин.

Негативні ефекти геотермальної енергетики можуть простежуватися на декількох етапах, починаючи з буріння свердловин. Тут виникають ті ж небезпеки, що і при бурінні будь свердловини: руйнування грунтово-рослинного покриву, забруднення грунту та грунтових вод.

На стадії експлуатації ГеоЕС проблеми забруднення навколишнього середовища зберігаються. Термальні флюїди - вода і пар - зазвичай містять вуглекислий газ (CO2), сульфід сірки (H2S), аміак (NH3), метан (CH4), кухонну сіль (NaCl), бор (B), миш'як (As), ртуть (Hg ). При викидах в навколишнє середовище вони стають джерелами її забруднення. Крім того, агресивна хімічна середу може викликати корозійні руйнування конструкцій ГеоТЕС.

У той же час викиди забруднюючих речовин на ГеоЕС в середньому нижче, ніж на ТЕС. Наприклад, викиди вуглекислого газу на кожен кіловат-годину виробленої електроенергії складають до 380 г на ГеоЕС, 1042 г - на вугільних ТЕС, 906 г - на мазутних і 453 г - на газових ТЕС.

Виникає питання: що робити з відпрацьованою водою? При невисокій мінералізації вона після охолодження може бути скинута в поверхневі води. Інший шлях - закачування її назад у водоносний пласт через нагнетательную свердловину, що переважно і переважно застосовується в даний час.

Видобуток термальної води з водоносних пластів (як і викачування звичайної води) може викликати просідання і переміщення грунту, інші деформації геологічних шарів, мікроземлетрясенія. Імовірність таких явищ, як правило, невелика, хоча окремі випадки зафіксовані (наприклад, на ГеоЕС в Штауфен-ім-Брайсгау в Німеччині).

Слід підкреслити, що велика частина ГеоЕС розташована на порівняно малонаселених територіях і в країнах третього світу, де екологічні вимоги бувають менш жорсткими, ніж в розвинених країнах. Крім того, на даний момент кількість ГеоЕС і їх потужності порівняно невеликі. При більш масштабному розвитку геотермальної енергетики екологічні ризики можуть зрости і помножитися.

Почім енергія Землі?

Інвестиційні витрати на будівництво геотермальних систем варіюють в дуже широкому діапазоні - від 200 до 5000 доларів на 1 кВт встановленої потужності, тобто найдешевші варіанти можна порівняти з вартістю будівництва ТЕС. Залежать вони, перш за все, від умов залягання термальних вод, їх складу, конструкції системи. Буріння на більшу глибину, створення замкнутої системи з двома свердловинами, необхідність очищення води можуть багаторазово збільшувати вартість.

Наприклад, інвестиції в створення петротермальной циркуляційної системи (ПЦС) оцінюються в 1,6-4 тис. Доларів на 1 кВт встановленої потужності, що перевищує витрати на будівництво атомної електростанції і порівняти з витратами на будівництво вітряних і сонячних електростанцій.

Очевидне економічну перевагу ГеоТЕС - безкоштовний енергоносій. Для порівняння - в структурі витрат працюючої ТЕС або АЕС на паливо доводиться 50-80% або навіть більше, в залежності від поточних цін на енергоносії. Звідси ще одна перевага геотермальної системи: витрати при експлуатації більш стабільні і передбачувані, оскільки не залежать від зовнішньої кон'юнктури цін на енергоносії. В цілому експлуатаційні витрати ГеоТЕС оцінюються в 2-10 центів (60 коп. - 3 руб.) На 1 кВт · год виробленої потужності.

Друга за величиною після енергоносія (і вельми істотна) стаття витрат - це, як правило, заробітна плата персоналу станції, яка може кардинально відрізнятися по країнах і регіонах.

В середньому собівартість 1 кВт · год геотермальної енергії порівнянна з такою для ТЕС (в російських умовах - близько 1 руб. / 1 ​​кВт · год) і в десять разів вища за собівартість вироблення електроенергії на ГЕС (5-10 коп. / 1 ​​кВт · год ).

Почасти причина високої собівартості полягає в тому, що, на відміну від теплових і гідравлічних електростанцій, ГеоТЕС має порівняно невелику потужність. Крім того, необхідно порівнювати системи, що знаходяться в одному регіоні і в подібних умовах. Так, наприклад, на Камчатці, за оцінками експертів, 1 кВт · год геотермальної електроенергії обходиться в 2-3 рази дешевше електроенергії, виробленої на місцевих ТЕС.

Показники економічної ефективності роботи геотермальної системи залежать, наприклад, і від того, чи потрібно утилізувати відпрацьовану воду і якими способами це робиться, чи можливо комбіноване використання ресурсу. Так, хімічні елементи та сполуки, витягнуті з термальної води, можуть дати додатковий дохід. Згадаймо приклад Лардерелло: первинним там було саме хімічне виробництво, а використання геотермальної енергії спочатку носило допоміжний характер.

Форварди геотермальної енергетики

Геотермальна енергетика розвивається дещо інакше, ніж вітряна і сонячна. В даний час вона значно більшою мірою залежить від характеру самого ресурсу, який різко відрізняється по регіонах, а максимальні концентрації прив'язані до вузьких зонах геотермических аномалій, пов'язаних, як правило, з районами розвитку тектонічних розломів і вулканізму (Див. «Наука і життя» № 9, 2013).

Крім того, геотермальна енергетика менш технологічно ємна в порівнянні з вітряної і тим більше з сонячною енергетикою: системи геотермальних станцій досить прості.

У Загальній структурі СВІТОВОГО виробництва електроенергії на геотермальних складових пріпадає менше 1%, но в Деяк регіонах и странах ее Частка досягає 25-30%. Через прив'язки до геологічними умів значний частина потужного геотермальної енергетики зосереджена в странах третього світу, де можна віділіті три кластери найбільшого розвитку Галузі - острова Південно-Східної азії, Центральна Америка и Східна Африка. Два перших регіону входять в Тихоокеанський «вогняний пояс Землі», третій прив'язаний до Східно-Африканському Рифт. З найбільшою ймовірністю геотермальна енергетика і далі буде розвиватися в цих поясах. Більш віддалена перспектива - розвиток петротермальной енергетики, що використовує тепло шарів землі, що лежать на глибині декількох кілометрів. Це практично повсюдно поширений ресурс, але його витяг вимагає високих витрат, тому петротермальная енергетика розвивається перш за все в найбільш економічно і технологічно потужних країнах.

В цілому, враховуючи повсюдне поширення геотермальних ресурсів і прийнятний рівень екологічної безпеки, є підстави припускати, що геотермальна енергетика має хороші перспективи розвитку. Особливо при наростанні загрози дефіциту традиційних енергоносіїв і зростання цін на них.

Від Камчатки до Кавказу

У Росії розвиток геотермальної енергетики має досить давню історію, і по ряду позицій ми знаходимося в числі світових лідерів, хоча в загальному енергобалансі величезної країни частка геотермальної енергії поки мізерно мала.

Піонерами і центрами розвитку геотермальної енергетики в Росії стали два регіони - Камчатка і Північний Кавказ, причому якщо в першому випадку мова йде перш за все про електроенергетику, то в другому - про використання теплової енергії термальної води.

На Північному Кавказі - в Краснодарському краї, Чечні, Дагестані - тепло термальних вод для енергетичних цілей використовувалося ще до Великої Оте-чественной війни. У 1980-1990-і роки розвиток геотермальної енергетики в регіоні зі зрозумілих причин застопорилося і поки зі стану стагнації не вийшло. Проте геотермальне водопостачання на Північному Кавказі забезпечує теплом близько 500 тис. Чоловік, а, наприклад, місто Лабунська в Краснодарському краї з населенням 60 тис. Чоловік повністю опалюється за рахунок геотермальних вод.

На Камчатці історія гео- термальної енергетики пов'язана, перш за все, з будівництвом ГеоЕС. Перші з них, до цих пір працюють Паужетская і Пирятинського станції, були побудовані ще в 1965-1967 роках, при цьому Пирятинського ГеоЕС потужністю 600 кВт стала першою станцією в світі з бінарним циклом. Це була розробка радянських учених С. ​​С. Кутателадзе і А. М. Розенфельда з Інституту теплофізики СО РАН, які отримали в 1965 році авторське свідоцтво на витяг електроенергії з води з температурою від 70оС. Ця технологія згодом стала прототипом для більш 400 бінарних ГеоЕС в світі.

Потужність Паужетской ГеоЕС, введеної в експлуатацію в 1966 році, спочатку становила 5 МВт і згодом була нарощена до 12 МВт. В даний час на станції йде будівництво бінарного блоку, який збільшить її потужність ще на 2,5 МВт.

Розвиток геотермальної енергетики в СРСР і Росії гальмувалося доступністю традиційних енергоносіїв - нафти, газу, вугілля, але ніколи не припинялося. Найбільші на даний момент об'єкти геотермальної енергетики - Верхньо-Мутновская ГеоЕС з сумарною потужністю енергоблоків 12 МВт, введена в експлуатацію в 1999 році, і Мутновская ГеоЕС потужністю 50 МВт (2002 рік).

Мутновская і Верхньо-Мутновская ГеоЕС - унікальні об'єкти не тільки для Росії, але і в світовому масштабі. Станції розташовані біля підніжжя вулкана Мутновский, на висоті 800 метрів над рівнем моря, і працюють в екстремальних кліматичних умовах, де 9-10 місяців на рік зима. Устаткування Мутновского ГеоЕС, на даний момент одна з найсучасніших в світі, повністю створено на вітчизняних підприємствах енергетичного машинобудування.

В даний час частка Мутновского станцій в загальній структурі енергоспоживання Центрально-Камчатського енергетичного вузла становить 40%. У найближчі роки планується збільшення потужності.

Окремо слід сказати про російських петротермальних розробках. Великих ПЦС у нас поки немає, проте є передові технології буріння на велику глибину (близько 10 км), які також не мають аналогів в світі. Їх подальший розвиток дозволить кардинально знизити витрати на створення петротермальних систем. Розробники даних технологій і проектів - Н. А. Гнатів, М. Д. Хуторський (Геологічний інститут РАН), А. С. Некрасов (Інститут народногосподарського прогнозування РАН) і фахівці Калузького турбінного заводу. Зараз проект петротермальной циркуляційної системи в Росії знаходиться на експериментальній стадії.

Перспективи у геотермальної енергетики в Росії є, хоча і порівняно віддалені: на даний момент досить великий потенціал і сильні позиції традиційної енергетики. У той же час в ряді віддалених районів країни використання геотермальної енергії економічно вигідно і затребуване вже зараз. Це території з високим геоенергетична потенціалом (Чукотка, Камчатка, Курили - російська частина Тихоокеанського «вогняного поясу Землі», гори Південного Сибіру і Кавказ) і одночасно вилучені і відрізані від централізованого енергопостачання.

Ймовірно, в найближчі десятиліття геотермальна енергетика в нашій країні буде розвиватися саме в таких регіонах.