Топ-10 геотермальных стран 2021 года
В условиях пандемии сектор геотермальной энергетики продолжает сталкиваться с новыми проблемами.
За последние два года одни страны ввели дополнительные мощности по производству геотермальной энергии, а другие, например, Колумбия (небольшие установки ORC на совместной нефти) и Тайвань (возобновление выработки электроэнергии в Циншуй на установке мощностью 4,2 МВт), пополнили список стран с действующими геотермальными электростанциями. Общая установленная мощность геотермальной энергетики на декабрь 2021 года составила 15 854 МВт, что на 246 МВт больше, чем в 2020 году.
Обновленный список топ 10 геотермальных стран на декабрь 2021 года:
- США* — 3722 МВт — в 2021 г. добавлено 24,8 МВт (примечания ниже);
- Индонезия — 2 276 МВт — 143 МВт добавлено в 2021 году после запуска второго блока Sorik Marapi мощностью 45 МВт и станции Rantau Dedap мощностью 98 МВт;
- Филиппины — 1918 МВт — об изменениях в 2021 году не сообщалось;
- Турция — 1710 МВт — 22 МВт добавлено в 2021 г.;
- Новая Зеландия — 1037 МВт — 32 МВт в рамках расширения проекта Ngawha было добавлены в начале 2021 г.;
- Мексика – 962,7 МВт – без изменений;
- Италия – 944 МВт – без изменений;
- Кения — 861 МВт — без изменений, энергоблок №6 Olkaria-1 мощностью 83,3 МВт находится на этапе заключительных испытаний, но об официальном начале его коммерческой эксплуатации еще не сообщалось;
- Исландия — 754 МВт — в 2021 г. добавлен небольшой блок мощностью 300 кВт, и начато строительство расширения на 30 МВт на станции Рейкьянесе;
- Япония — 603 МВт — продолжаются мелкомасштабные разработки, о новых установках в 2021 году пока не сообщается.
*Общая установленная и рабочая (паспортная) мощность в США составляла 3787,5 МВт, однако около 65 МВт определены как «резервные и доступные для обслуживания, но обычно не используемые» (EIA). Другие источники (REN/ IRENA) указывают на мощность в 2 804 МВт как среднее значение между летней и зимней мощностями, что ведет к другим стандартам отчетности для США по сравнению с другими странами. Более подробная информация приведена в примечаниях ниже.
В 2021 году было добавлено в общей сложности 246 МВт. Установленная мощность в других странах составила 1067 МВт, в результате чего общая установленная мощность геотермальной энергии в 2021 году составила 15 854 МВт. Наибольший рост на сегодняшний день отмечается в Индонезии, где мощность увеличилась на 143 МВт за счет двух новых электростанций, за ней следуют Чили (прибавление в Серро Пабеллон) и Турция. Продолжается строительство проекта Laguna Colorada в Боливии (Южная Америка), который планируется ввести в работу в 2022 году.
В 2022 году во многих странах ожидается активизация работ по разведке, бурению, строительству и введению в эксплуатацию новых станций.
Сбор данных о развитии геотермальных электростанций представляет собой довольно сложную задачу, так как их необходимо постоянно обновлять и корректировать.
Периодически наблюдаются расхождения в базах данных разных источников и для этого есть множество причин: одни компании сообщают валовую мощность, другие — действующую, третьи — установленную, а четвертые — средние значения летней и зимней мощностей. Всю эту информацию объединяет одна общая проблема — страны и организации часто указывают совсем разные цифры, поэтому их невозможно сравнивать.
Здесь использовались данные по установленной паспортной мощности по производству электроэнергии, но указана только мощность работающих электростанций, независимо от того, эксплуатируется станция на полную мощность или нет.
Топ 10 Стран-лидеров в альтернативной энергетике
Новая мировая тенденция: развитие альтернативной энергетики. Причин тому две: экологическая (специалисты стремятся сделать сферу энергетику как можно более «эко-friendly», потому что она и в самом деле – одна из самых убийственных для окружающей среды) и экономическая (нефть, газ, уголь стоят дорого, а вот солнечный свет и ветер пока еще бесплатны). Итак, какие же страны больше других преуспели в альтернативной энергетике?
1 Китай
Суммарная установленная мощность ветрогенераторов в Китае на 2014 год составила 114763 МВт (по данным Европейской ассоциации ветроэнергетики и GWEC). Что же заставило правительство так активно развивать ветроэнергетику? Ситуация здесь не ахти: Китай является лидером по выбросам в атмосферу СО2. Да и после аварии на японской Фукусиме стало ясно, что пора развивать альтернативные источники энергетики. Планируется использовать в первую очередь геотермальную, ветряную, солнечную энергию. Согласно государственному плану, к 2020 г. в 7 районах страны будут построены огромные ветряные ЭС с общей выработкой в 120 гигаватт.
2 США
Здесь активно развивают альтернативную энергетику. Например, суммарная мощность американских ветрогенераторов США в 2014 г. составила 65879 МВт. Является мировым лидером по развитию геотермальной энергетики – направлению, использующему для получения энергии разницу температур между ядром Земли и ее корой. Один из методов использования горячих геотермальных ресурсов – УГС (усовершенствованные геотермальные системы), в которые вкладывает средства Министерство энергетики США. Их поддерживают также научные центры и венчурные компании (в частности, Google), но пока УГС остаются коммерчески неконкурентоспосбными, есть над чем работать.
3 Германия
Ветроэнергетика Германии – это одна из лидирующих альтернативных энергетик в мире (законное 3 место!). До 2008 г. Германия занимала первое место по суммарной мощности ветряных электростанций. 2014-й для страны закончился показателем суммарной мощности ветрогенераторов 39165 МВт. К слову, активное развитие этой сферы началось после… Чернобыльской трагедии: именно тогда правительство приняло решение о поиске альтернативных источников получения электроэнергии. И вот результат: в 2014 г. 8,6% произведенной в Германии электроэнергии пришлись на долю ветряных электростанций.
4 Япония
Здесь все вполне объяснимо: собственных запасов углеводородов у страны нет, приходится придумывать альтернативные способы добывания энергии. Японцы развивают и внедряют самые разные технологии в этой сфере: от копеечных до чрезвычайно дорогостоящих, масштабных и технологичных. Здесь строят микрогидроэлектростанции, гидротермальные станции, а вот с ветряными пока не складывается – дорого, шумно и малоэффективно.
В этой стране прекрасно развиты ветряная и биоэнергетика (ветряные генераторы Дании в 2014 г. произвели 4845 МВт энергии, доля электроэнергии выработанной ветрогенераторами составила 39% от общего производства). Стоит ли удивляться, ведь в Дании так мало собственных природных ресурсов, что приходится искать альтернативные способы обойтись своими силами…
6 Норвегия
Еще одна скандинавская страна, которая ратует за экологичность и заботу об окружающей среде: в норвежском парламенте рассматривается план формирования особого Фонда, средства которого будут расходоваться на развитие разнообразных альтернативных программ. Одна из них – программа перехода населения на электромобили.
7 Иран
Казалось бы – уж иранцам-то чего переживать? Нефти у них масса, и они вообще не заинтересованы в развитии альтернативной энергетики (кто будет покупать нефть, если появятся новые источники энергии?). И все же с 2012 г. здесь действуют программы по инвестированию солнечных и ветряных электростанций.
8 Индия
Ее конек — солнечная энергетика: многие сельские районы страны уже оценили преимущества солнечной энергетики. Теперь целью правительства является электрификация каждого дома в стране, в основном за счет солнечных панелей, что обеспечит электричеством более 400 млн жителей.
9 Бутан
Эта крошечная страна в Гималаях имеет все шансы стать первой на 100% органической нацией в мире. Правительство всерьез озадачилось проблемой вреда автомобильных выхлопов для атмосферы, и для начала объявило о еженедельном «пешеходном дне». Затем правительство страны вступило в партнерство с компанией Nissan и запустило процесс сокращения импорта ископаемого топлива и одновременно – создания первых государственных электромобильных парков, а также развития сети автозарядочных станций. Все это способствует росту популярностей электромобилей у бутанцев – а почему бы и нет, если для этого созданы все условия!
10 Нигерия
Вот это новость! Оказывается, несмотря на негативные явления в экономике, страна продолжает развивать программу по строительству крупной солнечной электростанции. Завидное упорство, невзирая на трудности!
Что ж, прекрасная тенденция! И экономике приятно, и окружающей среде!
Геотермальная энергетика
Геотермальная энергетика — направление энергетики, основанное на производстве электрической энергии за счёт энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Обычно относится к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.
В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Более чем такие паротермы распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий, потому наиболее перспективным считается использование геотерм в качестве источника тепла.
Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика. Ниже описана гидротермальная энергетика. [1]
Содержание
Ресурсы
Перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны планеты в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд.
Россия
На 2006 г. в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м³/сутки. На 20 месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).
Достоинства и недостатки
Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.
Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех этих целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.
Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Например, по имеющимся данным [источник не указан 489 дней] , в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м 2 с температурой воды 70—90 °С. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, также в Казахстане.
Главная из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.
Наибольший интерес представляют высокотемпературные термальные воды или выходы пара, которые можно использовать для производства электроэнергии и теплоснабжения.
Геотермальная электроэнергетика в мире
Потенциальная суммарная рабочая мощность геотермальных электростанций в мире уступает большинству станций на иных возобновимых источниках энергии. Однако направление получило развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных заселённых географических районах, в которых отсутствуют или относительно дороги горючие полезные ископаемые, а также благодаря правительственным программам.
Установленная мощность геотермальных электростанций в мире на начало 1990-х составляла около 5 тысяч МВт, на начало 2000-х — около 6 тысяч МВт. В конце 2008 года суммарная мощность геотермальных электростанций во всём мире выросла до 10,5 тысяч МВт [2] .
| Страна | Мощность , МВт 2007 [3] |
Мощность , МВт 2010 [4] |
Доля от общей выработки электроэнергии, 2010 [источник не указан 537 дней] |
|---|---|---|---|
| США | 2687 | 3086 | 0.3% |
| Филиппины | 1969.7 | 1904 | 27% |
| Индонезия | 992 | 1197 | 3.7% |
| Мексика | 953 | 958 | 3% |
| Италия | 810.5 | 843 | |
| Новая Зеландия | 471.6 | 628 | 10% |
| Исландия | 421.2 | 575 | 30% |
| Япония | 535.2 | 536 | 0.1% |
| Сальвадор | 204.2 | 204 | 14% |
| Кения | 128.8 | 167 | 11.2% |
| Коста-Рика | 162.5 | 166 | 14% |
| Никарагуа | 87.4 | 88 | 10% |
| Россия | 79 | 82 | |
| Турция | 38 | 82 | |
| Папуа-Новая Гвинея | 56 | 56 | |
| Гватемала | 53 | 52 | |
| Португалия | 23 | 29 | |
| КНР | 27.8 | 24 | |
| Франция | 14.7 | 16 | |
| Эфиопия | 7.3 | 7.3 | |
| Германия | 8.4 | 6.6 | |
| Австрия | 1.1 | 1.4 | |
| Австралия | 0.2 | 1.1 | |
| Таиланд | 0.3 | 0.3 | |
| Всего | 9,731.9 | 10,709.7 |
Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, которые в 2005 году произвели около 16 млрд кВт·ч возобновляемой электроэнергии. В 2009 году суммарные мощности 77 геотермальных электростанций в США составляли 3086 МВт [5] . До 2013 года планируется строительство более 4400 МВт.
Наиболее мощная и известная группа геотермальных электростанций находится на границе округов Сонома и Лейк в 116 км к северу от Сан-Франциско. Она носит название «Гейзерс»(«Geysers») и состоит из 22 геотермальных электростанций с общей установленной мощностью 1517 МВт [6] . «На «Гейзерс» сейчас приходится одна четвертая часть всей произведенной в Калифорнии альтернативной [не-гидро] энергии» [7] . К другим основным промышленным зонам относятся: северная часть Солёного моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности)и геотермальные электростанции в Неваде, чья установленная мощность достигает 235 МВт.
Важно отметить тот факт, что американские компании являются мировыми лидерами в этом секторе, несмотря на то, что геотермальная энергетика начала активно развиваться в стране сравнительно недавно. По данным Министерства Торговли, геотермальная энергия является одним из немногих возобновляемых источников энергии, чей экспорт из США больше, чем импорт. Кроме того, экспортируются также и технологии. 60% [8] компаний-членов Геотермал Энерджи Ассошиэйшн (Geothermal Energy Association) в настоящее время стремятся делать бизнес не только на территории США, но и за ее пределами (в Турции, Кении, Никарагуа, Новой Зеландии, Индонезии, Японии и пр.)
Геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии в стране, имеет особую правительственную поддержку.
Филиппины
На 2003 год 1930 МВт электрической мощности установлено на Филиппинских островах, в Филиппинах парогидротермы обеспечивают производство около 27% всей электроэнергии в стране.
Мексика
Страна на 2003 год находилась на третьем месте по выработке геотермальной энергии в мире, с установленной мощностью электростанций в 953 МВт. На важнейшей геотермальной зоне Серро Прието расположились станции общей мощностью в 750 МВт.
Италия
В Италии на 2003 год действовали энергоустановки общей мощностью в 790 МВт.
Исландия
В Исландии действуют пять теплофикационных геотермальных электростанций общей электрической мощностью 570 МВт (2008), которые производят 25 % всей электроэнергии в стране.
Одна из таких станций снабжает столицу Рейкьявик. Станция использует подземную воду, а излишки воды сливают в гигантский бассейн.
Кения
В Кении на 2005 год действовали три геотермальные электростанции общей электрической мощностью в 160 МВт., существуют планы по росту мощностей до 576 МВт.
Россия
Впервые в мире неводяные пары как тепловой носитель применены на Паратунской ГеоТЭС в 1967 году. [9]
По данным института вулканологии Дальневосточного Отделения Российской Академии наук, геотермальные ресурсы Камчатки оцениваются в 5000 МВт. [10] Российский потенциал реализован только в размере не многим более 80 МВт установленной мощности (2009) и около 450 млн. кВт·ч годовой выработки (2009):
-
Мутновское месторождение:
-
установленной мощностью 12 МВт·э (2011) и выработкой 69,5 млн кВт·ч/год (2010) (81,4 в 2004), установленной мощностью 50 МВт·э (2011) и выработкой 360,5 млн кВт·ч/год (2010) (на 2006 год ведётся строительство, увеличивающее мощность до 80 МВт·э и выработку до 577 млн кВт·ч)
В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато и приостановлено строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт.
В Краснодарском крае эксплуатируется 12 геотермальных месторождений. [11]
Классификация геотермальных вод [12]
По температуре
| Слаботермальные | до 40°C |
| Термальные | 40-60°C |
| Высокотермальные | 60-100°C |
| Перегретые | более 100°C |
По минерализации (сухой остаток)
| ультрапресные | до 0,1 г/л |
| пресные | 0,1-1,0 г/л |
| слабосолоноватые | 1,0-3,0 г/л |
| сильносолоноватые | 3,0-10,0 г/л |
| соленые | 10,0-35,0 г/л |
| рассольные | более 35,0 г/л |
По общей жесткости
| очень мягкие | до 1,2 мг-экв/л |
| мягкие | 1,2-2,8 мг-экв/л |
| средние | 2,8-5,7 мг-экв/л |
| жесткие | 5,7-11,7 мг-экв/л |
| очень жесткие | более 11,7 мг-экв/л |
По кислотности, рН
| сильнокислые | до 3,5 |
| кислые | 3,5-5,5 |
| слабокислые | 5,5-6,8 |
| нейтральные | 6,8-7,2 |
| слабощелочные | 7,2-8,5 |
| щелочные | более 8,5 |
По газовому составу
| сероводородные |
| сероводородно-углекислые |
| углекислые |
| азотно-углекислые |
| метановые |
| азотно-метановые |
| азотные |
По газонасыщенности
| слабая | до 100 мг/л |
| средняя | 100-1000 мг/л |
| высокая | более 1000 мг/л |
Петротермальная энергетика
Данный тип энергетики связан с глубинными температурами Земли, которые с определённого уровня начинают подниматься. Средняя скорость её повышения с глубиной – около 2,5°С на каждые 100 м. На глубине 5 км температура составляет примерно 125°С, а на 10 км – 250°С. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара. Проблема данной энергетики на сегодня — её рентабельность. [1]
Геотермальная энергетика: как тепло Земли превратили в эффективный энергоресурс
Дано: внутри Земли имеется горячее ядро, с его помощью нужно выработать электричество.
Вопрос: как это сделать?
Ответ: построить геотермальную электростанцию.
Разбираемся, как именно, откуда под землёй пар и много ли пользы от такой электростанции.
Самый старый и самый популярный на сегодняшний день метод получения электричества в промышленных масштабах — это вращение турбины генератора мощным потоком горячего пара от вскипевшей из-за принудительного разогрева воды. Если вдуматься, то и в угольной ТЭС, и в современной АЭС суть работы сводится к кипячению воды с той лишь разницей, что в ТЭС для этого сжигается уголь, а в реакторе АЭС её кипятят нагревающиеся в результате управляемой цепной реакции ТВЭЛы.
Но зачем греть воду, если в некоторых местах она поступает из-под земли уже горячей? Нельзя ли использовать её напрямую? Можно: в 1904 году итальянец Пьеро Джинори Конти запустил первый генератор, работавший от пара естественных геотермальных источников, в изобилии присутствующих в Италии. Так появилась первая в мире геотермальная электростанция, которая работает до сих пор.
Впрочем, чтобы обеспечить геотермальной электростанции приемлемые КПД и стоимость, нужна вода определённой температуры, находящаяся не глубже определённого уровня. Если вы захотите построить геотермальную электростанцию (скажем, на своём дачном участке), вам для начала придётся заняться бурением скважин до водоносных слоёв, где вода под огромным давлением разогревается до 150-200 °C и готова выйти на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Ну а далее, подобно электростанциям на ископаемом топливе, поступающий пар будет вращать турбину, которая приведёт в действие генератор, вырабатывающий электричество. Использовать естественное тепло планеты для получения пара — это и есть геотермальная энергетика. А теперь перейдём к деталям.
Немного о тепле Земли
Температура поверхности твёрдого ядра Земли на глубине около 5100 км равна примерно 6000 °C. При приближении к земной коре температура постепенно снижается.
Понятный график изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1
Так называемый геотермический градиент — изменение температуры на определенном участке земной толщи, — в среднем составляет 3 °C на каждые 100 метров. То есть в шахте на глубине 1 км будет стоять тридцатиградусная жара —кто бывал в такой шахте, это подтвердит. Но в зависимости от региона температурный градиент меняется — например, в Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 км была зафиксирована температура 220 °C, а в некоторых местах планеты, у тектонических разломов и зонах вулканической активности, для достижения аналогичных температур достаточно пробурить от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 км. В американском штате Орегон геотермический градиент 150 °C на 1 км, а в Южной Африке всего 6 °C на 1 км. Отсюда вывод: где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь (перед началом работ убедитесь, что ваш дачный участок находится в подходящем месте). Как правило, подходящие места те, где сильная геологическая активность — часто происходят землетрясения и имеются действующие вулканы.
Виды геотермальных электростанций
В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии имеется в наличии (скажем, в вашем ДСК), вы будете выбирать тип электростанции. Разберёмся, какие они бывают.
Гидротермальная станция
Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет понятна даже ребенку: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Всё действительно так просто, если нам повезло найти подходящий источник пара.
ГеоТЭС прямого цикла. Источник: Save On Energy
Если из имеющейся у вас в наличии скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор будет отделять пар от воды — пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины.
Если вашему дачному посёлку не повезло с горячими источниками — например, если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, — а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения.
ГеоТЭС бинарного цикла. Источник: Save On Energy
Петротермальная станция
Разогретые подземные источники — весьма редкое явление в масштабах планеты, как вы, наверное, могли заметить, что резко ограничивает потенциальную область внедрения геотермальной энергетики, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячей глубине земной коры нет воды, значит, ее нужно туда закачать. Петротермальный принцип подразумевает закачку воды в глубокую скважину с разогретой породой, где жидкость превращается в пар и возвращается обратно на турбину электростанции.
Упрощенная схема петротермальной электростанции
Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну с поверхности будет подаваться вода, чтобы от тепла пород превратиться в пар и выйти через другую скважину. А далее процесс получения электроэнергии будет полностью аналогичен гидротермальной станции.
Естественно, соединить под землей на глубине нескольких километров две скважины нереально — вода между ними сообщается за счет разломов, образующихся в результате закачивания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв). Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.
В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.
Преимущества геотермальной энергетики
Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.
Неисчерпаемость. 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 (в результате действий человека, по крайней мере). 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 — падение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2·1020 кВт·ч энергии, что в миллионы раз больше ежегодного потребления электроэнергии всем человечеством.
Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света — нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер — вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.
Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой — задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.
Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 — даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной — 1340 м2.
Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.
Возможность параллельной добычи полезных ископаемых. Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.
Недостатки геотермальной энергетики
Рабочая жидкость опасна. 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, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.
Результат воздействия геотермальной воды на металлы.
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.
Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения: ТЭС — $1000/кВт, ветряки — $1600/кВт, солнечная электростанция — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.
Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов.
Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.
Гидротермальная комбинированная станция комплекса The Geysers в Калифорнии. И таких там 22. Источник: Wikimedia / Stepheng3
Где всё это работает и насколько это перспективно
По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Да, не геотермальная революция, но рост налицо.
Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении — и вовсе 51%! Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС.
Первая геотермальная электростанция, «Мацукава», открылась в Японии в 1966 году. Она вырабатывала 23,5 МВт, а турбину и генератор для неё произвела Toshiba. В 2010-х годах геотермальная энергия стала наиболее востребованной в странах Африки, где началось активное заключение контрактов и строительство ГеоТЭС. В 2015 году в Кении была открыта станция Olkaria IV, одна из четырёх, находящаяся в зоне Олкария в 120 км от Найроби, с мощностью 140 МВт. С ее помощью правительство снижает зависимость от гидроэлектростанций, сброс воды из которых часто приводит к разрушительным наводнениям.
ГеоТЭС Olkaria IV в Кении. Olkaria V и Olkaria VI планируют ввести в строй в 2021 году. Источник: Toshiba
ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.
В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.
Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт — первая бинарная ГеоТЭС в мире.
Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.
На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика — это наш задел на будущее, раскрыть потенциал которого в полной мере нам еще только предстоит.