Головною перевагою гарячих джерел. Геотермальні електричні станції

Геотермальні електростанції (ГеоЕС) – різновид альтернативної енергетики. ГеоЕС отримують електричну енергію рахунок геотермальних джерел надр Землі - гейзерів, відкритих і підземних гарячих джерел води чи метану, теплих сухих порід, магми. Оскільки геологічна активність відбувається на планеті регулярно, геотермальні джерела можна умовно вважати невичерпними (відновлюваними). За підрахунками вчених, теплова енергія Землі становить 42 трильйони Ват, 2% з яких (840 мільярдів) міститься в земній корі і доступна для видобутку, однак і цієї цифри достатньо, щоб забезпечити населення Землі невичерпною енергією на довгі роки.

Регіони з геотермальною активністю є в багатьох частинах планети і ідеальними для побудови станцій вважаються райони з високою геологічною активністю (вулканічною, сейсмічною). Найбільш активний розвиток галузі відбувається у місцях скупчення гарячих гейзерів, а також в областях навколо країв літосферних плит через найменшу товщину земної кори.

Для отримання тепла із закритих підземних джерел використовується буріння свердловин. При поглибленні свердловини температура підвищується приблизно на 1 градус кожні 36 метрів, але є й вищі показники. Отримане тепло доставляється на поверхню станції у вигляді гарячої водиабо пара, вони можуть застосовуватися як для прямої подачі на опалювальні системибудинків та приміщень, так і для подальшого перетворення на електроенергію на станції.

Залежно стану середовища (вода, пара) використовується три способи отримання електроенергії - прямий, непрямий і змішаний. При прямому використовується суха пара, що впливає на турбіну генератора безпосередньо. При непрямому використовується (найпопулярніший в даний час) очищена і нагріта водяна пара, що отримується випаром води, що закачується з підземних джерел температурою до 190 градусів. Як видно з представленого малюнка - перегріта пара по видобувних свердловинах піднімається до теплообмінника. У ньому відбувається передача теплової енергії закритий контур парової турбіни. Отримана від закипання рідини пара обертає турбіну, після чого знову конденсується в теплообміннику, що утворює замкнуту і практично нешкідливу для атмосфери систему. Парова турбіна з'єднана з електрогенератором, з якого отримують електроенергію. При змішаному способі застосовують проміжні рідини, що легко закипають (фреон та ін), на які впливають киплячою водою з джерел.

Переваги геотермальних електростанцій:

1) Станції не вимагають зовнішнього палива для роботи;

2) Практично невичерпні запаси енергії (якщо дотримуватись необхідних умов);

3) Можливість автоматизованої та автономної роботи за рахунок використання власне виробленої електрики;

4) Відносна дешевизна обслуговування станцій;

5) Станції можна використовувати для опріснення води при розташуванні на узбережжі океану чи моря.

Геотермальні електростанції - недоліки:

1) Вибір місця встановлення станції часто утруднений політичними та соціальними аспектами;

2) Проектування та будівництво ГеоЕС може вимагати дуже великих вкладень;

3) Забруднення атмосфери періодичними викидами через свердловину шкідливих речовин, які у корі ( сучасні технологіїдозволяють частково перетворювати ці викиди в паливо), проте воно значно нижче, ніж при виробництві електроенергії з копалин;

4) Нестабільність природних геологічних процесів та, як наслідок, періодична зупинка роботи станцій.

Перша геотермальна електростанція

Перші експерименти зі здобиччю енергії з геотермальних джерел відносяться до початку 20 століття (1904 рік, Італія, де через невеликий час була також побудована перша повноцінна геотермальна електростанція). В даний час, з урахуванням швидкого зростання споживання електрики та швидкого вичерпання запасів традиційної енергетичної сировини, це одна з найперспективніших галузей енергетики.

Найбільші геотермальні електростанції

Лідерами отримання геотермальної енергії зараз є США та Філіппіни, де побудовано найбільші ГеоЕС, що виробляють понад 300 МВт енергії кожна, що достатньо для енергопостачання великих міст.

Геотермальні електростанції у Росії

У Росії її галузь розвинена менше, а й тут йде активний розвиток. Найперспективнішими регіонами країни є Курильські острови та Камчатка. Найбільша геотермальна електростанція країни – Мутнівська ГеоЕС на південному сході Камчатки, що виробляє до 50 МВт енергії (у перспективі – до 80 МВт). Також слід зазначити Паужетську (першу, побудовану в Росії), Океанську та Менделєєвську ГеоЕС.

Недоліки геотермальних електростанцій

• Знайти відповідне місце для будівництва геотермальної електростанції та отримати дозвіл місцевої влади та згода жителів на її зведення може бути проблематичною.
• Іноді діюча геотермальна електростанція може зупинитися внаслідок природних змін у земній корі. Крім того, причиною її зупинки може стати поганий вибір місця або надмірне закачування води в породу через свердловину нагнітальну.
• Через експлуатаційну свердловину можуть виділятися горючі чи токсичні гази чи мінерали, які у породах земної кори. Позбутися їх досить складно. Щоправда, у деяких випадках їх можна сифонувати (збирати) і переробити на пальне (нафта-сирець або природний газ, наприклад).

Питання

Чи можна побудувати невелику геотермальну електростанцію, здатну забезпечити електрикою будинок чи невелике селище?

Відповідь

Це можна здійснити в районах, де не потрібно бурити найглибші дорогі свердловини. Найбільш показовим прикладом є, мабуть, Ісландія, яка, насправді, знаходиться на вершині гігантського вулкана. На території США серед таких районів можна назвати території навколо Єллоустоуна, Термополіса та Саратоги у штаті Вайомінг та навколо міста Хот Спрінгс у Південній Дакоті (У Росії найбільш відомим регіоном з високим потенціалом для геотермальної енергетикивважається Камчатка.).

Переваги та недоліки геотермальної енергетики

Геотермальна енергія завжди приваблювала людей можливостями корисного застосування. Головною перевагою геотермальної енергії є її практична невичерпність та повна незалежність від умов навколишнього середовища, часу доби та року. Геотермальна енергія своїм "проектуванням" завдячує розпеченому центральному ядру Землі, з величезним запасом теплової енергії. Тільки у верхньому трикілометровому шарі Землі запасено кількість теплової енергії, еквівалентну енергії приблизно 300 млрд. т вугілля. Тепло центрального ядра Землі має прямий вихід на поверхню Землі через жерла вулканів та у вигляді гарячої води та пари.

Крім того, магма передає своє тепло гірським породам, причому зі зростанням глибини їхня температура підвищується. За наявними даними, температура гірських порід підвищується в середньому на 1 °С на кожні 33 м глибини (геотермічний ступінь). Це означає, що на глибині 3-4 км. вода закипає; а на глибині 10-15 км температура порід може досягати 100-1200°С. Але іноді геотермічний ступінь має інше значення, наприклад, у районі розташування вулканів температура порід підвищується на 1°С на кожні 2-3 м. У районі Північного Кавказу геотермічний ступінь становить 15-20 м. З цих прикладів можна зробити висновок про те, що є значне розмаїття температурних умов геотермальних джерел енергії, які визначатимуть технічні засоби її використання, і що температура є основним параметром, що характеризує геотермальне тепло.

Існують такі важливі можливості використання тепла земних глибин. Воду або суміш води та пари в залежності від їх температури можна направляти для гарячого водопостачання та теплопостачання, для вироблення електроенергії або одночасно для всіх трьох цілей. Високотемпературне тепло навколовулканічного району та сухих гірських порід переважно використовуватиме вироблення електроенергії та теплопостачання. Від того, яке джерело геотермальної енергії використовується залежить пристрій станції.

Якщо в даному регіоні є джерела підземних термальних вод, то доцільно використовувати їх для теплопостачання та гарячого водопостачання. Наприклад, за наявними даними, у Західному Сибіру є підземне море площею 3 млн. м2 з температурою води 70-9°С. Великі запаси підземних термальних вод знаходяться в Дагестані, Північній Осетії, Чечено-Інгушетії, Кабардино-Балкарії, Закавказзі, Ставропольському та Краснодарському краях, Казахстані, на Камчатці та в інших районах Росії.

У Дагестані вже тривалий час термальні води використовуються для теплопостачання. За 15 років відкачано понад 97 млн.м3 термальної води для теплопостачання, що дозволило заощадити 638 тис.т умовного палива.

У Махачкалі термальною водою опалюються житлові будинки загальною площею 24 тис.м2, у Кизлярі - 185 тис.м2. Перспективними є запаси термальних вод у Грузії, які допускають витрати на добу 300-350 тис.м2 з температурою до 80чС. .Столиця Грузії знаходиться над родовищем термальних вод з метановазотним і сірководневим складом і температурою до 100°С.

Які проблеми виникають під час використання підземних термальних вод? Головна з них полягає у необхідності зворотного закачування відпрацьованої води у підземний водоносний горизонт. У термальних водах міститься велика кількість солей різних токсичних металів (наприклад бору, свинцю, цинку, кадмію, миш'яку) і хімічних сполук (аміаку, фенолів), що виключає скидання цих вод у природні водні системи, розташовані на поверхні. Наприклад, термальні води Великобанного родовища (на річці Банна, за 60 км від Петропавловська - Камчатського) містять різних солей до 1,5 г/л, фтору - до 9 мг/л, кремнієвої кислоти - до 300 мг/л. Термальні води Паужетського родовища в тому ж регіоні (температура J44 - 200°С, тиск на гирлі свердловини 2-4 атм) містять від 1,0 до 3,4 г/л різних солей, кремнієвої кислоти - 250 мг/л, борної кислоти - 15 мг/л, розчинених газів: вуглекислого - 500 мг/л, сірководню - 25 мг/л, аміаку -15 мг/л. Геотермальні води Тарумовського родовища в Дагестані (температура 185 ° С, тиск 150-200 атм) містять до 200 г/л солей і 3,5 -4 м3 метану в нормальних умовах на 1 м3 води.

Найбільший інтерес становлять високотемпературні термальні води або виходи пари, які можна використовувати для виробництва електроенергії та теплопостачання. В Україні в країні експлуатується експериментальна Паужетська геотермальна електростанція (ГеоТЕС) встановленою електричною потужністю 11 МВт, побудована в 1967 році на Камчатці.

Однак її роль у енергозабезпеченні регіону була незначною. Крім того, в 1967 році було введено в експлуатацію експериментальну ГеоТЕС потужністю 0,75 МВт на низькопотенційному геотермальному родовищі (температура води 80°С).

Отже, перевагами геотермальної енергії можна вважати практичну невичерпність ресурсів, незалежність від зовнішніх умов, часу доби та року, можливість комплексного використання термальних вод для потреб теплоелектроенергетики та медицини. Недоліками її є висока мінералізація термальних вод більшості родовищ та наявність токсичних сполук та металів, що виключає здебільшого скидання термальних вод у природні водойми.

Геотермальні електростанції у Росії є перспективним поновлюваним джерелом. Росія має багаті геотермальні ресурси з високою та низькою температурами і робить гарні кроки у цьому напрямку. Концепція екологічного захисту допоможе продемонструвати переваги відновлюваних альтернативних джерел використання енергії.

У Росії геотермальні дослідження проведені у 53 наукових центрахта вищих навчальних закладах розташованих у різних містах та у різних відомствах: Академії наук, Міністерствах освіти, природних ресурсів, палива та енергетики. Такі роботи проводяться в деяких регіональних наукових центрах, як Москва, Санкт-Петербург, Архангельськ, Махачкала, Геленджик, Приволжя (Ярославль, Казань, Самара), Урал (Уфа, Єкатеринбург, Пермь, Оренбург), Сибір (Новосибірськ, Тюмень, Томськ, Іркутськ, Якутськ), Далекий Схід (Хабаровськ, Владивосток, Южно-Сахалінськ, Петропавловськ-на-Камчатці).

У цих центрах проводяться: теоретичні, прикладні, регіональні дослідження, а також створюється спеціальний інструментарій.

Використання геотермальної енергії

Геотермальні електростанції в Росії використовуються в основному для теплопостачання та обігріву кількох міст і населених пунктівна Північному Кавказі та Камчатці із загальною чисельністю населення 500 тис.чол. Крім того, у деяких регіонах країни глибоке тепло використовується для теплиць загальною площею 465 тис. м2. Найактивніші гідротермальні ресурси використовуються в Краснодарському краї, Дагестані та на Камчатці. Приблизно половину видобутих ресурсів застосовується для теплопостачання житла та промислових приміщень, третина – на опалення теплиць, лише близько 13 % – для промислових процесів.

Крім цього термальні води використовуються приблизно в 150 санаторіях та 40 заводах з розливу. мінеральної води. Кількість електричної енергії, розробленої геотермальними електростанціями у Росії збільшується проти світовим, але залишається вкрай незначним.

Частка складає всього 0,01 відсотка від загального виробітку електроенергії в країні.

p align="justify"> Найбільш перспективним напрямом використання низькотемпературних геотермальних ресурсів є застосування теплових насосів. Цей спосіб є оптимальним для багатьох регіонів Росії - у Європейській частині Росії та на Уралі. Поки що робляться перші кроки в цьому напрямку.

Електрика виробляється на деяких електростанціях (ГеоЕС) лише на Камчатці та Курильських островах. В даний час три станції працюють на Камчатці:

Паужетська ГеоЕС (12 МВт), Верхньо-Мутнівська (12 МВт) та Мутнівська ГеоЕС (50 МВт).

Паужетська ГеоЕС усередині

Дві невеликі ГеоЕС знаходяться в експлуатації на островах Кунашир – Менделіївська ГеоТЕС, Ітуруп – «Океанська» з встановленою потужністю 7,4 МВт і 2,6 МВт відповідно.

Геотермальні електростанції в Росії за своїм обсягом стоять на останніх місцях у світі.В Ісландіїприпадає більше 25% електроенергії, що видобувається, цим способом.

Менделєєвська ГеоТЕС на Кунаширі

Ітуруп – «Океанська»

Росія має значні геотермальні ресурси і наявний потенціал набагато більший, ніж поточне становище.

Цей ресурс далеко не адекватно розвинений у країні. У колишньому Радянському Союзі геолого-розвідувальні роботи корисних копалин нафти і газу добре підтримувалися. Однак така велика діяльність не спрямована на вивчення геотермальних резервуарів навіть у наслідок підходу: геотермальні води не вважалися енергетичними ресурсами. Але все-таки результати буріння тисяч "сухих свердловин" (просторіччя в нафтовій галузі) приносять вторинну вигоду для геотермальних досліджень. Ці покинуті колодязі, які були під час досліджень нафтової галузі дешевше віддати для нових цілей.

Переваги та проблеми використання геотермальних ресурсів

Екологічні переваги використання відновлюваних джерел енергії, таких як геотермальна визнано. Однак є серйозні перешкоди на шляху розвитку поновлюваних ресурсів, що перешкоджають розвитку. Детальні геологічні дослідження та дороге буріння геотермальних свердловин є великими фінансовими витратами, пов'язаними зі значними геологічними та технічними ризиками.

Використання відновлюваних джерел енергії, включаючи геотермальні ресурси, мають переваги.

• По-перше, використання місцевих енергетичних ресурсів може знизити залежність від імпорту або необхідності будівництва нових потужностей, що генерують, для теплопостачання в промислових або житлових районах гарячого водопостачання.
• По-друге, заміна традиційних видів палива чистою енергією викликає значні покращення стану навколишнього середовища та громадської охорони здоров'я та має відповідну економію.
• По-третє, міра економії енергії пов'язана з ККД. Системи централізованого теплопостачання є загальними у міських центрах Росії та потребують модернізації та переходу на відновлювані джерела енергії зі своїми перевагами. Це особливо важливо з економічної точки зору, застарілі системи централізованого теплопостачання не економічні та інженерний час життя вже минув.

Геотермальні електростанції в Росії "чистіше" в порівнянні з використовувані викопне паливо. Міжнародна конвенція щодо зміни клімату та програми Європейського співтовариства передбачають просування відновлюваних джерел енергії. Однак специфічні юридичні розпорядження щодо розвідувальних робіт та видобутку геотермальних вод відсутні у всіх країнах. Частково це пояснюється тим, що води регулюються відповідно до законів водних ресурсів, корисні копалини відповідно до енергетичних законів.

Геотермальна енергія не відноситься до певних розділів законодавства і утруднюється вирішення різних методів експлуатації та використання геотермальної потужності.

Геотермальна енергетика та сталий розвиток

Промисловий розвиток за останні два століття приніс безліч інновацій для людської цивілізації та принесли експлуатацію природних ресурсів із загрозливою швидкістю. Починаючи з сімдесятих років 20-го століття серйозні попередження про “межі зростання” пішли по світу з великим ефектом: ресурс експлуатації, гонка озброєнь, марнотратство розбазарили ці ресурси в прискореному темпі, поряд з експоненційним зростанням чисельності населення планети. На все це божевілля потрібна більша кількість енергії.

Найбільш марнотратне і безперспективне - безвідповідальність людини за звичкою витрати кінцевих енергетичних ресурсів вугілля, нафти і газу, що швидко виснажуються. Цією безвідповідальною діяльністю займається хімічна промисловість для виробництва пластмас, синтетичних волокон, будівельних матеріалів, фарб, лаків, фармацевтичних та косметичних продуктів, пестицидів та багатьох інших органічної хімії.

Але найбільш катастрофічний ефект від використання викопного палива - це рівновага біосфери і клімату настільки, що незворотно впливатиме на наш життєвий вибір: зростання пустель, кислотні дощі, що псують родючі землі, отруєння річок, озер і ґрунтових вод, псування питної водидля зростаючого населення планети, - і найгірше з усіх - частіші погодні катаклізми, втягують льодовики, руйнують гірськолижні курорти, льодовики, зсуви, сильні шторми, затоплення густонаселених прибережних районів і островів, тим самим наражаючи на небезпеку людей і рідкісні види. внаслідок міграцій.

Втрата родючих земель і культурна спадщина відбувається за рахунок видобутку викопного палива, що невблаганно зростає, викидів в атмосферу, що викликають глобальне потепління.

Шлях до чистої, стійкої енергетики зберігає ресурси і залучення біосфери і клімату в природний баланс пов'язані з використанням як геотермальних електростанцій у Росії.

Вчені розуміють необхідність скорочення спалювання викопного палива, що виходить за межі цільових показників Кіотського протоколу для того, щоб уповільнити глобальне потепління атмосфери Землі.

Здавна Земля є джерелом енергоресурсів, але, визнаючи цей факт, треба визнати і те, що джерела енергії, що не відновлюються, не нескінченні. Заради обігріву житла люди вже відмовилися від дров і більше не спалюють лісу, майже виключили видобуток кам'яного вугілля, визнаючи, що це завдає екологічної шкоди довкіллю. Але видобуток нафти та газу йде повним ходом. Тим часом наша планета в запасі має і відновлюване джерело енергії - силу її геотермальних вод.

Тепло із самих глибин планети

Використовувати тепло Землі - дуже приваблива ідея і непросте, але в цілому вирішуване завдання. Особливо актуально це для регіонів, де геотермальні джерела виходять на поверхню або хоча б знаходяться в зоні досяжності, як з інженерної, так і з економічної точок зору. Ось тільки місце розташування подібних джерел, як правило, є сусідами з тектонічними розломами планети і знаходиться в вкрай сейсмо нестійких регіонах.

Геотермальні електростанції: переваги та недоліки

Існує кілька принципових схем будівництва таких електростанцій і, зазвичай, вибір залежить від конкретного джерела тепла: десь достатньо пробурити свердловину і можна починати її експлуатацію, а десь необхідно очистити енергоносій, що надходить, від твердих частинок і шкідливих газів.

Але, яким би не був принцип роботи такої станції, вона має низку переваг перед ТЕС і навіть перед тепловою АЕС.

Ось недолік у геотермальної станції всього один: в кінцевому рахунку він зводиться її місцезнаходження. Враховуючи, що сейсмічна активність не піддається прогнозам, райони тектонічних розломів є вкрай несприятливим місцем для будівництва та подальшої експлуатації енергоустановок.

Зате переваги численні та незаперечні:

• безпеку для довкілля, зокрема відсутність виникнення парникових газів;
• компактність розмірів станції;
• основні витрати закінчуються із завершенням будівництва, витрати ж на експлуатацію – мінімальні;
• рахунок природного теплоносія (практично невичерпний ресурс!) собівартість електричної енергії знижується майже нуля.

Докладніше про екологію

З розвитком суспільства, зростає та її екологічна свідомість, проблеми розумного природокористування виходять першому плані. Провідні економічні держави, у тому числі й Росія, підписують протоколи про обмеження викидів в атмосферу, прагнучи скоротити шкоду від парникового ефекту та запобігти глобальному потеплінню. ТЕС, що використовують для вироблення електроенергії як паливо газ, продукти нафтопереробки і, особливо, кам'яне вугілля істотно впливають на зростання забрудненості атмосфери.

З тим, що є екологічна вада ТЕС, нічого вдіяти не можна. Можна спробувати скоротити викиди за рахунок повнішого спалювання палива, за рахунок застосування передових фільтруючих систем, але від «родової» нестачі теплової енергетики не уникнути.

Тож основне питання, яке постає у зв'язку з використанням термальною енергією, які екологічні переваги має геотермальна електростанція? Використовуючи воду та пару, нагріті самою природою, такі електростанції не роблять викидів. Мінімізує шкоду навколишньому середовищу і невеликі габарити подібних станцій. Тож переваги геотермальних електростанцій перед ТЕС не підлягають сумніву.