Геотермальная энергетика способы получения, принцип работы, ГеоТЭС в России и мире

Кто не мечтает хотя бы раз в жизни найти клад. И мало кто подозревает, что драгоценные ресурсы находятся прямо у нас под ногами. Мы владеем величайшим богатством – геотермальной энергией.

Вы видели когда-нибудь гейзер?

ДаНет

Геотермальная энергия – тепло, исходящее из земли, это естественный, возобновляемый ресурс для производства электричества. Тепло Земли по объемам неисчерпаемо, оно в миллионы раз превышает все энергетические ресурсы вместе взятые.

Даже 1% энергии Земли заменяет не одну сотню электрических станций. Осталось только научиться использовать ее.

Геотермальная энергия – одна из самых перспективных в мире.

Геотермальные электростанции или что такое геотермальная энергия

При знакомстве с категориями, имеющими отношение к рассматриваемой теме, обычно упоминают геотермальную энергию, получаемую за счет тепловых источников земных недр. Практически она исходит от ядра планеты, температура которого составляет порядка 3600 градусов, и излучается в направлении земной поверхности. Тепло от подземных источников (гейзеров, в частности) выводится через специальные скважины в виде разогретого до высокой температуры пара, вращающего лопасти генераторных турбин.

Реализующие описанный процесс промышленные комплексы (геотермальные электростанции) позволяют получить используемую для нужд рядового потребителя электрическую энергию. Последняя подобно обычным гидроэлектростанциям распределяется по разветвленной сети электрических линий и поступает в нагрузку на стороне конечного пользователя. Геотермальные станции, как правило, включаются в энергетический комплекс конкретного региона или всего государства.

Геотермальные ресурсы

Источником энергии для геотермических станций служат недра земли, в которых тепло накапливается за счет непрерывно происходящих в ядре процессов. Рассмотрим подробно историю открытия этих глубинных источников и проследим хронологию создания средств преобразования энергии теплоносителя в электричество.

История развития

Способы практического использования энергии геотермальных источников были известны человеку еще в древние века (в 1-м столетии нашей эры). Она традиционно применялась в следующих формах:

• Купание в открытых водоемах с горячей водой (вблизи гейзеров, например).
• Принятие банных процедур, основанных на использовании тех же термальных вод.
• В виде эффективной системы городского теплоснабжения.

В Древнем Риме представители высшего сословия любили отдыхать в изотермах (так назывались бани с подогревом от источников тепла из земных недр). Позднее, в 14-м веке, изобретательные французы соорудили первую в истории планеты систему теплоснабжения, также использующую геотермальный потенциал земного шара. В промышленных масштабах он начал применяться в Италии в 1827 году. Энергия тепла земли использовалась итальянскими инженерами для извлечения борной кислоты из вулканических пород. Со временем специалисты научились различать источники на петротемальные и гидротермальные.

Петротермальная энергетика

Так называемая «петротермальная» энергетика – это разновидность геотермального направления, когда в качестве источника применяется тепло сухих горных пород. При исследовании этого способа извлечения энергии важно отметить следующие моменты:

• увеличение температуры пород с глубиной их залегания характеризуется особым показателем, называемым «градиентом»;
• в среднем в толще земной коры в различных регионах Земли он составляет 0,02°C на метр;
• при заявленном градиенте температура на глубинах порядка 5 км может достигнуть 100 C.

Такого градиента температур вполне достаточно для того, чтобы практически использовать его в целях получения электроэнергии.

Гидротермальные источники

Гидротермальные источники тепла – подземные воды естественного происхождения, которые по эффективности отдачи энергии намного превосходят петротермальные аналоги. К тому же описываемый способ не нуждается в значительных затратах средств и трудовых ресурсов.

Обратите внимание: Создание и реализация таких систем возможны только в местах, где геотермальные воды присутствуют в достаточном количестве и доступны для разработки.

Пример такого места – разведанные зоны скрытой вулканической деятельности. В связи с этим из годных для использования геотермальных ресурсов на долю гидротермальных приходится лишь около 1%. Оставшиеся 99 процентов составляют петротермальные источники, которые могут быть обнаружены практически в любом месте земной поверхности.

Основные черты геотермальной энергетики

К особенностям геотермальной энергетики относят следующие характерные черты:

• Сравнительная сложность доступа к возобновляемым источник тепла.
• Сложности с выбором нужного способа получения и преобразования энергии.
• Необходимость учета плюсов и минусов геотермальных электростанций, сооружаемых в выбранных областях страны.

Дополнительная информация: Источником тепла служат либо сухие горные породы, либо геотермальные воды, расположенные в недрах земли и доступные к использованию.

Для получения энергии из тепловых запасов недр задействуют один из следующих известных способов:

• Традиционный подход.
• Добыча с применением насосных станций.
• Фонтанный способ.
• Геоциркуляционный метод.

Традиционный способ предполагает прямой доступ к источнику тепла с выводом энергии по скважинному каналу. При реализации фонтанного метода происходит самоизливание ресурса за счет внутреннего давления скопившегося в недрах пара. Насосное оборудование применяется в ситуациях, когда второй вариант с самостоятельным доступом к скважине практически нереализуем. Последний способ примечателен тем, что полностью отработанный ресурс отправляют обратно в земные недра.

Геотермальные электростанции преимущества и недостатки

К бесспорным плюсам использования геотермальной энергетики относят:

• значительные запасы тепловой энергии, которые при грамотной эксплуатации могут считаться возобновляемыми;
• экономичность, достигаемая за счет отказа от традиционных видов топлива;
• экологическая чистота геотермальных источников и станций, не выбрасывающих в атмосферу вредных веществ;
• самодостаточность, исключающая необходимость применения сторонних источников энергии (помимо первого запуска системы в работу).

Обратите внимание: Геотермальные тепловые станции (ГеоТЭС) также не нуждаются в значительных эксплуатационных затратах.

К преимуществам геотермальной электростанции причисляют и возможность попутного использования для выполнения определенных функций. При расположении станции на берегу моря, в частности, она нередко задействуется с целью опреснения соленой воды. При таком совмещении функций последняя дистиллируется, а в дальнейшем применяется для искусственного орошения земель или в других практических целях.

К числу недостатков использования ГС следует отнести определенные сложности и опасности, связанные с их расположением в сейсмически активных зонах. Размещение сооружений такого масштаба вблизи объектов вулканической деятельности всегда влечет за собой определенные риски. Обычно при поиске места для станций стараются выбирать зоны, где подземная активность наблюдалась очень давно и в настоящий момент проявляется слабо.

Сферы применения

Несмотря на то, что Гео ТЭС занимают скромное место в ряду других энергетических объектов – станции, работающие на тепле недр земли, все чаще используются в народном хозяйстве. С учетом рассмотренных ранее преимуществ и недостатков геотермальных электростанций последние могут применяться в рассмотренных ниже случаях.

В сельском хозяйстве и садоводстве

В сельскохозяйственных отраслях геотермальная электростанция может применяться в следующих целях:

• для обогрева посадок растений, выращиваемых в оранжереях или в тепличных комплексах;
• с целью ухода за ними (для их полива, в частности);
• для отопления комплексов, где содержатся домашние животные и пернатые (фермы, коровники и птичники).

Возможность использования геотермальных станций для указанных целей зависит от качества и состава поступающей из недр воды. В сельском хозяйстве и садоводстве они чаще всего применяются в таких государствах, как Израиль, Гватемала, Греция, Мексика и Кения.

В промышленности и ЖКХ

Промышленные предприятия и городские коммунальные службы относятся к государственным структурам, более других нуждающимся в не зависящих от случайностей источниках энергии. Геотермальная энергетика вполне способна справиться с этой задачей и обеспечить их нужным количеством возобновляемых энергетических ресурсов.

Промышленность и коммунальные хозяйства считаются поэтому одними из основных потребителей в этой отрасли. В коммерческих масштабах геотермальная энергия для заявленных нужд вырабатывается в Новой Зеландии, России, в Исландии и в США.

В частном секторе

Получать геотермальную энергию в незначительных объемах можно и самостоятельно, используя ее для автономного отопления или дополнительного обогрева частных домов вместо газа, например. Принцип работы такой системы схож с функционированием обычного кондиционера, используемого в режиме обогрева помещений. В отличие от него источник геотермального тепла способен работать при любых уличных температурах и практически не потребляет электроэнергии.

Построить частную геотермальную станцию удается, если в выбранном месте на нужной глубине установить специальные коллекторы, наполненные антифризом, например. За счет естественных обменных процессов они будут концентрировать тепло, а затем отдавать его в систему отопления жилого дома. Расходы на обустройство такого комплекса минимальны (частнику придется потратиться лишь на приобретение необходимого оборудования и его монтаж).

Экономический потенциал геоэнергетики

Геотермальная зона, Исландия

Запасы, которые были разведаны учёными, на глубине 3,5 километра при температуре вод от 40 градусов Цельсия до 200 градусов способны дать 14 миллионов кубических метров горячей воды. Это равно 30 миллионам тонн условного топлива. Геотермальный ресурс превосходит топливный в 10-15 раз.

Больше половины территории РФ обладает хорошим потенциалом для развития геотермальной электроэнергии. Экономическая выгода Геотермальный энергетики видна на примере: в Паужете тарифы не колеблются, они постоянные вне зависимости от погоды и времени дня.

Геотермальная электростанция принцип работы

При рассмотрении принципа работы геотермальных станций важно учитывать существующие методы получения электроэнергии. В соответствие с состоянием используемого энергоносителя в геотермальной практике различают следующие способы:

• Прямой доступ, при реализации которого для вращения турбин используется сухой пар.
• Непрямой метод, предполагающий применение водяного пара с рабочей температурой более 180 градусов.
• Бинарный или смешанный способ, при котором в горячую жидкую среду добавляется особый хладагент.

Принцип работы геотермальных электростанций во всех рассмотренных случаях один: скопившийся в скважинах пар под давлением вырывается наружу и начинает раскручивать лопасти турбины. Последняя в свою очередь вырабатывает электрический ток нужного качества и величины, поступающий в нагрузку потребителя.

Геотермальные электростанции в России

При рассмотрении этого вопроса учитываются особенности земных недр страны-производителя. Геотермальные электростанции в России располагаются в сейсмически неопасных районах, где разрывы в тектонических плитах не слишком велики. Специалисты выбирают для их размещения места, где геотермический градиент имеет максимальное значение, что снижает издержки на обустройство скважин (не нужно бурить ее на большую глубину). Наиболее оптимальный вариант – использовать для этих целей гейзеры, при активности которых вода под давлением выходит на поверхность и достигает требуемой температуры.

Паужетская ГеоЭС

Причиной начавшихся в 1966 году работ на Камчатке явилась необходимость в снабжении электроэнергией жилых поселений и новых строящихся объектов. Корпуса станции разместились на Камбальном месторождении парогидротерм, находящемся в юго-западном окончании Камчатского полуострова (пос. Паужетка). Общая площадь территории, занимаемой Паужетской ГС, составляет порядка 1,9 гектара.

Дополнительная информация: Сообщение с поселком возможно только водным транспортом в периоды навигации и воздушным путем – круглогодично.

Проектная мощность ГеоЭС составляет порядка 12 МВт (6+6 МВт), а тот же показатель в реальном выражении равен 5,8 МВт. Рассматриваемый параметр ограничен объемами вырабатываемого в недрах геотермального пара. Паужетская ГеоЭС оборудована собственной системой водозабора и сброса охлажденной жидкости. Кроме того, в ее состав входит специальное электрооборудование с устройствами регулировки мощности в нагрузках потребителя.

Организация, занимающаяся поставкой пара для нее – АО «Тепло Земли». Согласно проекта в цикле подготовки теплового носителя всего задействовано восемь скважин, функционирующих в прерывающемся режиме. На всех этих объектах установлены скважинные сепараторы. В качестве дублирующей станции используется Озерновская ДЭС, состоящая из 4-х блоков суммарной мощностью порядка 3,57 МВт. Дизельная генераторная установка располагается в п. Озерновский на расстоянии порядка 30 км от п. Паужетка. Ее мощности одновременно задействуются в периоды максимума сезонной активности по отлову морской рыбы.

Верхне-Мутновская ГеоЭС

Представленная ГеоЭС (мощность – 12 МВт) построена в 1999 году; она проектировалась как пилотный проект местного геотермального месторождения. Основная цель ее создания – подтвердить возможность и целесообразность освоения технологий получения электроэнергии из имеющихся на территории России геотермальных источников.

В состав ГС входят три энергоблока, оборудованные конденсационными турбинами, известными под названием «Туман-4К» (заявленная мощность – по 4 МВт каждая). В качестве постоянного источника тепла используются три скважины со смесью воды и пара с концентрацией до 30 % от полного объема. Подземный теплоноситель транспортируется по трубопроводному каналу общей протяженностью порядка 1,22 километра. С его выхода он поступает в систему предварительной обработки, представляющую собой две параллельные линий из 2-хступенчатых сепараторов гравитационного типа. Таким образом работает схема преобразования энергии от подземного тепла до электричества.

Обработанный и сконденсированный пар поступает в реинжекционное устройство, после чего он откачивается компрессорами и растворяется в конденсате.

Обратите внимание: Попадание сопутствующих газов в атмосферу за счет особой технологии переработки пара сводится к минимуму.

Вследствие этого в геотермальном комплексе удается реализовать концепцию экологически чистой станции. Всего в составе ГеоЭС насчитывается 14 модулей-вагончиков, объединенных закрытыми переходами.

Мутновская ГеоЭС

Представленная в этом разделе ГеоЭС с заявленной мощностью до 50 МВт – одна из современнейших технологических разработок, не имеющая аналогов в России. Первая очередь электростанции включает в свой состав следующие функциональные модули:

• Основное здание с турбинным залом.
• Сепараторная станция с комплектом насосного оборудования.
• Несколько градирен.
• Вспомогательный корпус.
• Строение с элегазовым комплексным распределительным устройством (КРУЭ-220 кВ).
• Комплект распределительного электрооборудования.
• Станционные очистные сооружения и т. п.

При проектировании ГеоЭС-1 принимались в расчет новейшие открытия в области электроэнергетики, а при ее постройке были применены самые современные технологические решения

Тепловая схема станции позволила добиться экологической чистоты использования теплоносителя, минуя его непосредственный контакт с окружающей средой. Сделать это удалось за счет применения воздушных конденсаторов особой конструкции, а также путем полной реинжекции рабочего тела.

Океанская

Океанская ГеоЭС, на возведение которой было потрачено более десятилетия, введена в эксплуатацию только в 2007 году. В течение нескольких лет она успешно выполняла свои функции, но с февраля 2013 года в ее работе начали наблюдаться постоянные сбои. Когда один из действующих энергоблоков получил серьезное повреждение – электростанция была полностью остановлена.

После этого второй модуль частично удалось запустить, но он работал не на неполную мощность. Спустя какое-то время и он был признан нерабочим и неремонтопригодным, после чего в ноябре 2015 года станцию законсервировали. Работающие на Итурупе объекты вновь стали получать электроэнергию от дизельных установок.

Менделеевская ГеоТЭС

Менделееевская ГеоТЭС – это геотермальная электростанция, располагающаяся на острове Кунашир неподалеку от вулкана имени Д. И. Менделеева. С ее помощью налажено теплоснабжение и электроснабжение п. Южно-Курильск. Номинальная электрическая мощность электростанции – 7,4 МВт.

Весной 1977 года под вулканом случилась целая серия землетрясений из более чем 200 толчков с расположением очага активности на глубине более 20 км. Их причиной были признаны буровые работы, производимые на геотермальном месторождении «Горячий пляж». Не исключался и вариант, что землетрясения были связаны с активизацией магматического очага на глубине 4-5 км.

Геотермальные станции в мире

Один из крупнейших производителей геотермальной энергии – США, где исследуемый вид электростанций получает постоянную господдержку. Самый мощный комплекс под названием «Гейзерс» расположен между Сономой и Лейком. Установленная мощность геотермальных электростанций в Мексике – 953 Мегаватт. В одном только Серро Прието производится около 750 Мегаватт.

Общая мощность ГеоЭС в Исландии на начало века составляла 790 Мегаватт. В стране работают 5 теплофикационных электростанций, одна из которых обслуживает ее столицу – Рейкьявик. Имеются подобные сооружения и в такой небольшой стране, как Кения. В 2005 их суммарная мощность составляла 160 Мегаватт. В Филиппинах в 2003 году этот показатель для геотермальных станций составлял порядка 1930 Мегаватт. Попытки перейти на пользование геотермальными источниками делаются и в Японии, но доля работающих в этой островной стране электростанций пока ничтожно мала.

Крупные источники энергоресурса

Главный производитель геотермальной теплоты — Исландия, на долю которой приходится 30% мировой энергии. На второе место выходят Филиппины с показателем 27% от международного значения. Коста-Рика и Сальвадор производят 14 процентов, занимая третье место. На долю Кении приходится 11,2 процента, а на Никарагуа — 10 процентов.

В России перспективными регионами для добычи геотермальной энергии являются юг и Дальний Восток. На юге для разведывания вод с температурным диапазоном 70-126 градусов Цельсия подходит любая точке области.

Например, в Дагестане 30% жилого фонда обеспечиваются геотермальной энергией, хотя специалисты считают, что значение можно поднять до 70%. В Чеченской республике была заготовлена почва для добычи теплоты, но война временно прервала работу над этим.

Будущее геотермального электричества

Согласно исследованиям специалистов в земных недрах на глубинах от 3-х до 5-ти километров сконцентрированы запасы тепла, способные обеспечить человечество не на одно тысячелетие. Однако на практике потребляемая от геотермальных источников энергия по отношению к другим ее видам (получаемой из угля, например) составляет не более половины процента. В перспективе за счет дополнительных капитальных вложений в мировых масштабах эту часть предполагается увеличить до 50%.

Важно! Уже сегодня потенциал этого сектора повышается приблизительно на 2-3 процента ежегодно.

В РФ этому виду энергетики не уделяется должного внимания, что объясняется небольшим количеством разведанным в стране источников и низким КПД геотермальных электростанций. Несмотря на это, развитие в указанном направлением – приоритетная задача, решаемая правительством нашей страны.

Плюсы и минусы

К достоинствам использования электростанций данного вида можно отнести:

• Это возобновляемый источник энергии;
• Огромные запасы в дальней перспективе развития;
• Способность работать в автономном режиме;
• Не подверженность сезонным и погодным факторам влияния;
• Универсальность – производство электрической и тепловой энергии;
• При строительстве станции не требуется устройство защитных (санитарных) зон.

Недостатками станций являются:

• Высокая стоимость строительства и оборудования;
• В процессе работы вероятны выбросы пара с содержанием вредных примесей;
• При использовании гидротермов из глубинных слоев земли, необходима их утилизация.