Какие экологические преимущества имеет геотермальная электростанция: плюсы и минусы ГеоТЭС

Что такое геотермальная энергия

Горячий гейзер — это естественный геотермальный источник. Их на Земле немного. Они научились добывать пар из глубины путем бурения скважин. Каждые 36 метров температура геологических отложений повышается на один градус. Тепловая энергия уже используется в 60 странах вулканического кольца Тихого океана и Дальнего Востока.

Немного истории

Идея использования пара, собираемого из геотермальных источников, была впервые высказана в начале 19 века французским инженером и предпринимателем Франсуа де Лардерель.

Первая в мире ГеоЭС в Лардерелло

Почти 100 лет спустя, в 1904 году, итальянский предприниматель Пьеро Конти впервые экспериментировал с геотермальным генератором в муниципалитете Лардерелло. Там семь лет спустя была запущена первая в мире геотермальная электростанция (ГеоЭС), которая, кстати, работает и по сей день.

Пьеро Конти и его геотермальный генератор

Петротермальная энергетика

Так называемая «петротермальная» энергия — это своего рода геотермальное направление, когда в качестве источника используется тепло сухих пород. Изучая этот метод извлечения энергии, важно отметить следующие моменты:

• повышение температуры пород с глубиной их нахождения характеризуется специальным показателем, называемым «градиент»;
• в среднем в толще земной коры в различных регионах Земли она составляет 0,02 ° С на метр;
• при заявленном градиенте температура на глубине около 5 км может достигать 100 С.

Такого температурного градиента достаточно, чтобы практически использовать его для выработки электроэнергии.

Гидротермальные источники

Источниками гидротермального тепла являются природные грунтовые воды, которые намного превосходят своих петротермальных аналогов с точки зрения энергоэффективности. Кроме того, описанный способ не требует значительных затрат денежных и трудовых ресурсов.

Примечание: создание и внедрение таких систем возможно только в местах, где геотермальные воды присутствуют в достаточном количестве и доступны для разработки.

Примером такого места являются исследованные районы скрытой вулканической активности. В связи с этим от используемых геотермальных ресурсов гидротермальные ресурсы составляют лишь около 1%. Остальные 99% — это петротермальные источники, которые можно найти практически в любой точке земной поверхности.

Основные черты геотермальной энергетики

К характеристикам геотермальной энергии относятся следующие характеристики:

• Сравнительная сложность доступа к возобновляемому источнику тепла.
• Сложность выбора правильного способа получения и преобразования энергии.
• Необходимость учитывать плюсы и минусы строящихся геотермальных электростанций в выбранных регионах страны.

Дополнительная информация: Источником тепла являются сухие горные породы или геотермальные воды, расположенные в недрах земли и доступные для использования.

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

• Традиционный подход.
• Добыча насосными станциями.
• Путь фонтана.
• Метод геоциркуляции.

Традиционный метод предполагает прямой доступ к источнику тепла с отводом энергии через канал скважины. При реализации фонтанного метода происходит утечка ресурса за счет внутреннего давления пара, накопившегося в недрах. Насосное оборудование применяется в ситуациях, когда второй вариант с независимым доступом к скважине практически нецелесообразен. Последний способ отличается тем, что полностью истощенный ресурс отправляется обратно в недра земли.

Перспективы геотермальной энергии

Энергия геотермальных вод Земли — альтернативный источник энергии. Этот метод производства энергии используется в регионах, где геотермальные источники находятся на поверхности или расположены в легкодоступных местах. Перед началом строительства станции на исходной площадке проводится оценка периметра с точки зрения технико-экономической целесообразности и, прежде всего, безопасности. Турбины геотермальных электростанций работают от пара, испускаемого гейзерами и вулканами. Отсюда следует, что геотермальные источники обычно находятся в нестабильных сейсмических зонах, а это означает, что безопасность имеет первостепенное значение.

Схема строительства будущей геотермальной электростанции, преобразующей энергию геотермальных вод Земли в электричество, зависит от источника, на котором будет построена станция. Иногда инженерная идея сводится к простому бурению скважины, а иногда требуется дополнительное оборудование и технологии для очистки пара от вредных отходов или твердых частиц. Принцип выработки электроэнергии из источников прост: пар поднимается вверх по скважине, приводя в движение турбины, а затем возвращается в конверт.

Геотермальные станции активно используются в промышленных масштабах, в сельском хозяйстве, ЖКХ. С их помощью отапливаются и поливаются теплицы, теплицы, различные водные сооружения. Подземные источники используются для орошения полей или поддержания уровня влажности, необходимого для выращивания сельскохозяйственных культур. Геотермальные электростанции успешно используются в жилищно-коммунальном хозяйстве, заменяя традиционные электростанции. Самая крупная геотермальная электростанция построена в Кении. Он обеспечивает электричеством, достаточным для работы города.

Сферы применения

Несмотря на то, что Гео ТЭС занимают скромное место среди других энергоустановок, в народном хозяйстве все чаще используются станции, работающие на тепле земных недр. Геотермальные электростанции могут использоваться в сельском хозяйстве и садоводстве, промышленности, ЖКХ, а также в частном секторе.

В сельском хозяйстве и садоводстве

В сельском хозяйстве геотермальная электростанция может использоваться для следующих целей:

• для систем отопления, выращиваемых в теплицах или тепличных комплексах;
• с целью ухода за ними (в частности, для полива);
• для отопительных комплексов, в которых содержатся домашние животные и птицы (фермы, конюшни и курятники).

Возможность использования геотермальных станций для этих целей зависит от качества и состава воды, поступающей из недр. В сельском хозяйстве и садоводстве их чаще всего используют в таких странах, как Израиль, Гватемала, Греция, Мексика и Кения.

В промышленности и ЖКХ

Промышленные предприятия и городские коммунальные службы входят в число государственных структур, больше других нуждающихся в источниках энергии независимо от случая. Геотермальная энергия вполне способна справиться с этой задачей и предоставить им необходимое количество возобновляемых энергоресурсов.

Поэтому промышленность и коммунальные услуги считаются одними из основных потребителей в этом секторе. В коммерческих целях геотермальная энергия для заявленных потребностей производится в Новой Зеландии, России, Исландии и США.

В частном секторе

есть возможность самостоятельно получать геотермальную энергию в небольших объемах, используя ее, например, для автономного отопления или для дополнительного обогрева частных домов вместо газа. Принцип работы такой системы аналогичен работе обычного кондиционера, используемого в режиме обогрева помещения. И наоборот, геотермальный источник тепла способен работать при любой температуре наружного воздуха и практически не потребляет электричество.

построить частную геотермальную станцию ​​можно, если, например, в выбранном месте на нужной глубине установить специальные коллекторы, наполненные антифризом. Благодаря естественным процессам обмена веществ они концентрируют тепло, а затем передают его в систему отопления жилого дома. Затраты на организацию такого комплекса минимальны (частнику придется потратиться только на покупку необходимого оборудования и его установку).

Конструкции геотермальных электростанций

В настоящее время наиболее распространенным способом использования энергии из геотермальных источников является метод естественной «гидротермальной конвекции», при котором вода просачивается через земную кору, нагревается и затем поднимается на поверхность. Затем нагретая вода используется для привода электрогенераторов.

Есть три основных проекта геотермальных электростанций:

• В простейшей конструкции сухой пар проходит непосредственно через турбины, а затем через конденсатор, где пар конденсируется в воду.
• При втором подходе очень горячая вода превращается в пар, который затем может использоваться для привода турбины.
• В третьем подходе, называемом бинарной системой, горячая вода проходит через теплообменник, где она нагревает вторую жидкость, например изобутан, в замкнутом контуре. Изобутан кипит при более низкой температуре, чем вода, поэтому он легче превращается в пар для работы турбины.

Технология применения определяется ресурсом. Если вода идет из колодца в виде пара, ее можно использовать напрямую. Если горячая вода достаточно горячая, она должна пройти через теплообменник.

Принцип работы геотермальных электростанций

Чтобы отправить пар на лопатки турбины, его нужно извлечь из земли. Принцип работы геотермальных электростанций основан на методе откачки воды в работающий колодец. Жидкость нагревается в горячих образованиях до насыщенного пара, который с силой взрывается на поверхности.

Для выработки электроэнергии используются 3 основных метода:

• сухой пар: геотермальные ресурсы влияют на турбину;
• с генератором взаимодействуют насыщенные газовые среды повышенной влажности;
• комбинированный — сочетает в себе обе технологии.

Прямой метод

Используется гидротермальный пар, который выходит из-под земли через питающий колодец. Запустите турбину генератора. Отработанная жидкость закачивается в слои твердой земли. Происходит загрязнение термических слоев.

Непрямой метод

Перегретые гидротермальные ресурсы из скважины поступают в испаритель, где тепло геотермальной воды испаряет избыточную влагу из теплоносителя. Сжатый пар испарителя попадает на лопатки турбины и заставляет их вращаться. Парогидротермальные электростанции второго поколения, более мощные и надежные: система испаритель-турбина закрытая.

Смешанный бинарный метод

Современные геотермальные электростанции в принципе аналогичны генераторным установкам второго поколения. Только вода, нагретая землей, проходит через теплообменник, заполненный теплоносителем. Устройство передает тепло земли воздушной смеси, которая заставляет генератор вращаться. Благодаря этой технологии используется менее нагретая термальная вода, увеличивается теплоотдача и снижаются потери энергии.

Геотермальные станции в мире

В топе — 15 стран, использующих тепловую энергию. Россия на 13 месте. Лидируют страны с большим количеством сейсмически активных зон.

Следующие данные обновлены в конце 2019 года. Источник: Think Geoenergy

По состоянию на конец 2019 года мировая геотермальная генерирующая мощность составляла 15 406 МВт. При увеличении мощности на 759 МВт это крупнейший годовой прирост геотермальной энергии за более чем 20 лет.

Список открыт из США, ГеоЭС и солнечные тепловые станции вырабатывают 3676 МВт в год, что составляет 3-5% от потребления энергии. Это:

• 22 электростанции в комплексе Гейзер (на плато Гейзер) в Калифорнии, обеспечивающие 60% потребностей северного побережья штата;
• 10 геоблоков в Имперской долине, раскопки геотермальной зоны Императорской долины»;
• электростанция Navy 1 Geothermal Area в Неваде у озера Чайна-Лейк, построенная для нужд военной базы.

По оценкам экспертов, 40% мирового потенциала сосредоточено в Индонезии, оцениваемой в 24 ГВт. В последние годы в стране произошел экономический прорыв, 6-7% (это 2133 МВт) вырабатываемой электроэнергии производится на ГеоЭС. Самые крупные находятся на Суматре. Расширение подразделения Сарулла продолжается. Первая очередь имеет мощность 220 МВт, вторая — 110 МВт, третья находится в стадии строительства.
Модульная электростанция Сорик Марапи (110 МВт) находится поблизости, а блок Улубулу мощностью 320,8 МВт близится к завершению в провинции Лампунг. На острове Ява есть только одна геотермальная станция — Караха Бодас (30 МВт).

Третье место в рейтинге занимают Филиппины. Объем произведенной энергии составляет 1918 МВт, или 27% от общей выработки. Тиви — первая электростанция, построенная в 1982 году, сегодня она производит 330,0 мегаватт. McLeeling-Banachau начал работу в 1984 году и достиг мощности 458,0 МВт.

Мексика производит 963 МВт в год, что составляет 3% от потребления, при этом наибольший вклад дает геотермальная электростанция Серро-Прието (720 МВт). Остальные геостации страны небольшие.

В Новой Зеландии находится одна из крупнейших ГеоЭС — «Нгатамарики» (110 МВт), вырабатывающая 1/5 геотермальной энергии. Общее производство в стране составляет около 1000 мегаватт, что составляет 20% от потребления.

В Исландии геотермальные скважины используются с 1030 года. В 1976 году появилась Гео ГеоЭС «Сварценги» (80 МВт). Электростанция Хеллишейди (300 МВт) в 2011 году входила в пятерку крупнейших геотермальных электростанций в мире. Есть еще два блока: Несявеллир (120 МВт) и Рейкьянес (100 МВт). Суммарная геоэнергетическая мощность составляет более 750 МВт в год.

В топ-15 стран с GeoPP также входят Сальвадор, Коста-Рика, Кения, Никарагуа, Папуа-Новая Гвинея, Гватемала.

Геотермальные электростанции в России

Сейсмически активные регионы находятся на Дальнем Востоке и в регионах Северного Кавказа. Развитие геотермальных электростанций в России территориально ограничено; использование тепловых насосов возможно на Урале и Алтае. Сейчас тепло земли в основном используется для обогрева жилого фонда, сельскохозяйственных тепличных комплексов. Только 13% перерабатывается в электричество.

Паужетская ГеоЭС

Это первая геотермальная электростанция, построенная в Российской Федерации для электроснабжения южных регионов Камчатки (населенные пункты, изолированные от материка), и единственный источник электроэнергии, в котором нуждается проживающее здесь население. Завод также обеспечивает электроэнергией местные рыбоперерабатывающие предприятия и ряд сельскохозяйственных предприятий.

Причиной начатых в 1966 году работ на Камчатке стала необходимость электроснабжения населенных пунктов и новых строящихся объектов. Здания станции располагались на территории Камбального гидротермального парового депо, расположенного на юго-западной оконечности полуострова Камчатка (село Паужетка). Общая площадь территории, занимаемой Паужетской ГС, составляет около 1,9 га.

Дополнительная информация: Сообщение с поселком возможно только водным транспортом в период плавания и воздушным транспортом — круглый год.

Проектная мощность ГеоЭС составляет около 12 МВт (6 + 6 МВт), и этот же показатель в натуральном выражении составляет 5,8 МВт. Рассматриваемый параметр ограничен объемом геотермального пара, производимого на глубине. Паужетская ГеоЭС оснащена собственной системой водозабора и отвода охлажденной жидкости. Кроме того, в него входит специальное электрооборудование с устройствами регулирования мощности потребительских нагрузок.

Поставкой пара для него занимается ООО «Тепло Земли». Согласно проекту, всего в цикле подготовки теплоносителя задействовано восемь скважин, работающих с перебоями. На всех этих сооружениях установлены скважинные сепараторы. Озерновская ГЭС используется как резервная станция, состоящая из 4 блоков общей мощностью около 3,57 МВт. Дизель-генераторная установка находится в поселке Озерновский на расстоянии примерно 30 км от поселка Паужетка. Его возможности используются одновременно в периоды максимальной сезонной активности при ловле морской рыбы.

Верхне-Мутновская ГеоЭС

Представленная ГеоЭС (мощность — 12 МВт) построена в 1999 году; он был задуман как пилотный проект для местного геотермального месторождения. Основная цель его создания — подтвердить возможность и целесообразность освоения технологий производства электроэнергии из геотермальных источников, имеющихся на территории России.

АВ состоит из трех энергоблоков с конденсационными турбинами «Туман-4К» (заявленная мощность — 4 МВт каждый). В качестве постоянного источника тепла используются три скважины со смесью воды и пара с концентрацией до 30% от общего объема. Подземный теплоноситель транспортируется по каналу трубопровода общей протяженностью около 1,22 км. С его выхода он попадает в систему предварительной обработки, которая представляет собой две параллельные линии от двухступенчатых гравитационных сепараторов. Так работает схема преобразования энергии подземного тепла в электричество.

Обработанный и сконденсированный пар поступает в устройство обратной закачки, после чего перекачивается компрессорами и растворяется в конденсате.

Примечание: попадание попутных газов в атмосферу сведено к минимуму благодаря специальной технологии обработки пара.

Следовательно, в геотермальном комплексе можно реализовать концепцию экологической станции. Всего ГеоПП состоит из 14 прицепных модулей, соединенных закрытыми переходами.

Мутновская ГеоЭС

Представленная в этом разделе ГеоЭС заявленной мощностью до 50 МВт — одна из самых современных технологических разработок, не имеющая аналогов в России. Первая фаза ПКП включает следующие функциональные модули:

• Главный корпус с машинным залом.
• Станция сепарации с комплектом насосного оборудования.
• Несколько градирен.
• Вспомогательное здание.
• Здание с комплексным распределительным щитом SF6 (КРУЭ-220 кВ).
• Комплект электрораспределительного оборудования.
• Очистные сооружения и др.

При проектировании ГеоЭС-1 были учтены новейшие открытия в области электроэнергетики и применены самые современные технологические решения при ее строительстве

Тепловая схема станции позволила добиться экологической чистоты использования теплоносителя, минуя его прямой контакт с окружающей средой. Это было сделано за счет использования воздушных конденсаторов специальной конструкции, а также за счет полной обратной закачки рабочего тела.

Океанская ГеоЭС

Океаническая геотермальная электростанция, на строительство которой потребовалось более десяти лет, была введена в эксплуатацию только в 2007 году. Несколько лет она успешно выполняла свои функции, но с февраля 2013 года в ее работе были постоянные перебои. Когда один из существующих заводов был сильно поврежден, завод был полностью остановлен.

Впоследствии второй модуль был частично запущен, но на частичной мощности не работал. Через некоторое время она была признана непригодной для использования и не подлежала ремонту, после чего в ноябре 2015 года станция была выведена из эксплуатации. Действующие в Итурупе станции снова начали получать электроэнергию от дизельных станций.

Менделеевская ГеоТЭС

Менделеевская геотермальная электростанция — геотермальная электростанция, расположенная на острове Кунашир недалеко от вулкана Д.И.Менделеева. С его помощью налажено теплоснабжение и электроснабжение поселка Южно-Курильск. Номинальная электрическая мощность станции — 7,4 МВт.

Весной 1977 года под вулканом произошла серия землетрясений из более чем 200 афтершоков, очаг активности которых находился на глубине более 20 км. Им приписывают буровые работы, проведенные на геотермальном месторождении Хот-Бич. Не исключено, что землетрясения были связаны с активизацией магматического очага на глубине 4-5 км.

Перспективы освоения геотермальных ресурсов в России

Наиболее перспективными регионами Российской Федерации с точки зрения использования тепловой энергии для производства электроэнергии являются Курильские острова и Камчатка.

Камчатка обладает такими потенциальными геотермальными ресурсами с вулканическими запасами пара, гидротермальных вод и энергетических термальных вод, которые могут удовлетворить потребности региона в течение 100 лет. Мутновское месторождение считается перспективным с известными запасами, способным обеспечить до 300 МВт электроэнергии. История освоения этого района началась с геологоразведки, оценки ресурсов, проектирования и строительства первых геотермальных электростанций на Камчатке (Паужетская и Паратунская), а также Верхне-Мутновской геотермальной станции мощностью 12 МВт. Мутновская мощностью 50 МВт.

На Курильских островах работают две электростанции, использующие геотермальную энергию: на острове Кунашир (2,6 МВт) и на острове Итуруп (6 МВт).

По сравнению с энергоресурсами отдельных филиппинских и американских ГеоЭС отечественные установки по производству альтернативной энергии значительно теряют: их общая мощность не превышает 90 МВт. А вот Камчатские электростанции, например, обеспечивают потребность региона в электроэнергии на 25%, что в случае непредвиденных перебоев с подачей топлива не позволит жителям полуострова остаться без электричества.

В России есть все возможности для освоения геотермальных ресурсов, как петротермальных, так и гидрогеотермальных. Однако они очень мало используются и перспективных направлений более чем достаточно. Помимо Курил и Камчатки, практическое применение возможно на Северном Кавказе, в Западной Сибири, Приморье, Прибайкалье, Охотско-Чукотском вулканическом поясе.

Геотермальная электростанция для частного дома

Идея использовать тепло из недр земли для обогрева частного дома больше не является фантастикой. Геотермальные системы отопления зарекомендовали себя как в северных, так и в южных широтах. Правда, для этого потребуется специальное оборудование, способное аккумулировать естественное тепло и передавать его теплоносителю системы отопления.

В состав геотермального оборудования частного дома входят: глубоко под землей испаритель, необходимый для поглощения тепловой энергии из земли; конденсатор, который доводит антифриз до необходимой температуры, и тепловой насос, который циркулирует антифриз в системе и контролирует работу всей системы.

Кроме того, нагретый антифриз попадает в буферную емкость, где энергия передается охлаждающей жидкости. Внутри накопительного бака находится внутренний бак с водой из системы отопления и змеевик, по которому движется нагретый антифриз.

Плюсы и минусы геотермальных источников энергии

Главный недостаток геотермальной энергии заключается в ее происхождении: станции строятся в сейсмически активных районах. Проблема в том, что предсказать пробуждение вулкана, землетрясение или движение земли — непростая задача. Строить станцию ​​в таких местах — всегда риск. А поскольку строительство геотермальной электростанции стоит дорого, возникает вопрос, использовать ли энергию геотермальных вод Земли. Чтобы избежать рисков, для строительства Геотермальной электростанции выбираются «спокойные» районы, где последняя сейсмическая активность отмечалась лишь в далеком прошлом. Потенциальные месторождения исследуются более чем в семидесяти странах. Например, в России это Ставрополь, Камчатка, Сахалинский край. По Украине — Закарпатье, Одесская область, Херсон.

Преимущества

Среди основных преимуществ:

• Впечатляющие запасы геотермальной энергии. Одним из основных преимуществ геотермальной энергии является то, что при правильном использовании этот источник можно определить как возобновляемый.
• Экономия топлива. Геотермальная электростанция не нуждается в дополнительных запасах топлива для своей работы.
• Экологическая совместимость. Геотермальные источники и растения, которые ими управляют, не выделяют вредных веществ. А вредные вещества, которые могут возникнуть при производстве энергии, собираются и перерабатываются (например, нефть или природный газ).
• Самодостаточность. Дополнительное топливо из сторонних источников требуется только при первом запуске станции. В будущем геотермальная электростанция сможет заправляться электричеством. Достаточно генерируется как для закупок, так и для самоокупаемости.
• Хозяйственная эксплуатация. Станция не требует больших затрат на свою эксплуатацию, а только на текущее обслуживание, ремонт и профилактику.
• Дополнительное преимущество. Если растение находится у моря, его можно использовать для опреснения воды. Вода дистиллируется путем нагрева и охлаждения пара во время работы ГеоТЭС. В дальнейшем эту воду можно будет использовать для питья или для искусственного орошения земель.
• Эстетический аспект. Геотермальные электростанции не портят пейзаж, для них не требуется большой отвод земли, а современный дизайн также добавляет эстетической завершенности образу.

Недостатки

К минусам можно отнести:

• Сложность утверждения проекта. Проблемы возникают на всех этапах планирования: поиск подходящего места, тестирование, получение разрешения властей и местного населения.
• Прекратите работу в любой момент. Сложно предсказать извержение вулкана или землетрясение. Работы на станции также могут быть прерваны из-за естественных изменений земной коры. Даже неудачный выбор места для строительства геотермальной электростанции не способствует длительной стабильной работе. Еще одна причина отключения — превышение скорости закачки воды в породу.
• Если фильтры исходных выбросов не используются, вредные вещества могут попадать в окружающую среду.

Будущее геотермального электричества

Согласно исследованиям специалистов в недрах земли, на глубине 3-5 километров сосредоточены запасы тепла, которые могут обеспечить человечество более чем на тысячелетие. Однако на практике энергия, потребляемая из геотермальных источников по отношению к другим видам энергии (например, полученной из угля), не превышает полпроцента. В будущем за счет дальнейших капитальных вложений в мировом масштабе ожидается увеличение этой доли до 50%.

Важно! Потенциал этого сектора уже увеличивается примерно на 2–3% ежегодно.

В Российской Федерации этому виду энергии не уделяется должного внимания, что объясняется небольшим количеством разведанных в стране источников и низкой эффективностью геотермальных станций. Несмотря на это, развитие в этом направлении является приоритетной задачей, которую решает правительство нашей страны.