Геотермальная энергетика заключается в использовании термальной энергии земных недр, получаемой в результате физико-химических процессов в земных недрах которые нагревают подземные воды до состояния перегретого пара.
Для использования геотермальной энергии используют высокотемпературные геотермальные энергетические и тепловые станции (ГеоЭС) и низкотемпературные тепловые насосы (ТН).
Преимуществом геотермальной энергетики является ее практически полная безопасность для окружающей среды. Количество СО2, выделяемого при производстве 1 кВт электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет от 13 до 380 г (например, для угля он равен 1042 г на 1 кВт-ч).
Тепловая энергия недр образуется за счет расщепления радионуклидов в середине планеты. Этот экологически чистый и постоянно обновляемый источник энергии может быть использован в регионах с вулканическими проявлениями и геологическими аномалиями, когда вода вблизи от поверхности земли нагревается до температуры кипения, в результате чего в виде водяного пара может подаваться на турбины для производства тока. Горячая вода естественных источников (гейзеров) может быть использована непосредственно.
Однако тепло Земли очень "рассеянно", и в большинстве районов мира человеком может использоваться с выгодой только очень небольшая часть энергии. Из них пригодные для использования геотермальные ресурсы составляют около 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры, или 137 трлн тут.
Источники геотермальной энергии по классификации Международного энергетического агентства делятся на 5 типов:
- месторождения геотермального сухого пара - сравнительно легко разрабатываются, но довольно редки; тем не менее, половина всех действующих в мире ГеоТЭС использует тепло этих источников;
- источники влажного пара (смеси горячей воды и пара) - встречаются чаще, но при их освоении приходится решать вопросы предотвращения коррозии оборудования ГеоТЭС и загрязнения окружающей среды (удаление конденсата из-за высокой степени его засоленности);
- месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду) - представляют собой так называемые геотермальные резервуары, которые образуются в результате наполнения подземных полостей водой атмосферных осадков, нагреваемой близко лежащей магмой;
- сухие горячие скальные породы, разогретые магмой (на глубине 2 км и более) - их запасы энергии наиболее велики;
- магма, представляющая собой нагретые до 1300 °С расплавленные горные породы.
Опыт, накопленный различными
странами (в том числе и Россией), относится
в основном к использованию природного
пара и термальных вод, которые остаются
пока наиболее реальной базой геотермальной
энергетики. Однако ее крупномасштабное
развитие в будущем возможно лишь при
освоении петрогеотермальных ресурсов,
т. е. тепловой энергии горячих горных
пород, температура которых на глубине
3. . .5 км обычно превышает 100 °С.
Геотермальное тепло можно утилизировать либо "непосредственно", либо преобразовывать его в электричество (посредством ГеоЭС), если температура теплоносителя достигает более 150 °С.
Геотермальная электростанция (ГеоЭС) — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников.
Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:
- прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединённые с электрогенераторами;
- непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;
- смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.
Напрямую геотермальное тепло
в зависимости от температуры может
использоваться для отопления зданий,
теплиц, бассейнов, сушки сельскохозяйственных
и рыбопродуктов, выпаривания растворов,
выращивания рыбы, грибов и т.д.
В последние годы во многих странах стали применять тепловые насосы, в которых используется низкопотенциальная тепловая энергия с температурой 4 - 6 градусов °С и выше. В качестве источника такой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух; тепло грунтовых, артезианских и термальных вод; воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и тепло техногенного происхождения (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое бросовое тепло).
Можно выделить следующие преимущества геотермальной энергии:
- возможность использования ее в разных климатических условиях и в разные времена года;
- коэффициент использования превышает 90%;
- цена электроэнергии ниже, чем электричества, получаемого с использованием других возобновляемых источников энергии.
Указанные преимущества приводят
к тому, что геотермальная энергетика,
несмотря на свою молодость (у нее всего
100-летняя история) развивается сейчас
во всем мире.
Однако специфика геотермальных ресурсов включает и ряд недостатков:
- низкий температурный потенциал теплоносителя;
- нетранспортабельность;
- трудности складирования;
- несосредоточенность источников;
- ограниченность промышленного опыта эксплуатации станций.
Также развитие геотермальной
энергетики останавливает высокая цена
установок, а также более низкий выход
энергии в сравнении с газовыми и нефтяными
скважинами. С другой стороны - их можно
использовать гораздо дольше, чем
месторождения традиционных источников.
Преимуществом геотермальных установок
является также то, что они практически
не нуждаются в техническом обслуживании.
Наиболее перспективными регионами для использования геотермальной энергии являются Азия, особенно - Индонезия с потенциалом около 27000 МВт, а также американский континент, в первую очередь - Латинская Америка, Карибский бассейн и США.
Рисунок 1. Потенциал геотермальных ресурсов в мире по регионам (источник: IGA)
Сегодня уже в 80 стран мира в той или иной степени используется геотермальное тепло. В большей части из них, а именно в 70 странах, утилизация этого вида природного тепла достигла уровня строительства теплиц, бассейнов, использования в лечебных целях и т.д. А ГеоТЭС имеются примерно в 25 странах.
Сегодня ГеоТЭС в мире производят около 54613 ГВт-ч в год. Современные объемы электроэнергии, получаемой благодаря этой технологии, достаточны для удовлетворения потребностей в электроэнергии 60 млн человек, т. е. 1% населения планеты. Суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 75900 ГВт-ч.
Россия не входит даже в первую десятку производителей электрической и тепловой энергии из геотермальных источников, в то время как запасы геотермальной энергии в России по оценкам в 10-15 раз превышают запасы органического топлива в стране.
Потенциальные тепловые ресурсы верхних слоев Земли, до глубины 100-200 м, ежегодно возобновляемые, в основном, за счет инсоляции, по территории России оцениваются в 400-1000 млн тут в год.
Геотермальная энергетика экономически эффективна в районах, где горячие воды приближены к поверхности земной коры - в районах активной вулканический деятельности с многочисленными гейзерами (Камчатка, Курилы, острова Японского архипелага). Эти регионы по своим климатическим условиям и по потенциалам в геотермальной энергетике можно сравнить лишь с Исландией.
По данным института вулканологии Дальневосточного Отделения Российской Академии наук, только геотермальные ресурсы Камчатки оцениваются в 5000 МВт, что позволит обеспечивать регион электроэнергией и теплом в течение 100 лет. Именно поэтому особое внимание уделяется развитию геотермальной энергетики в данном регионе. Уже разработана и начала реализовываться программа создания геотермального энергоснабжения Камчатки, в результате которой ежегодно будет сэкономлено около 900 тыс. тонн условного топлива.
Самым крупным геотермальным месторождением на Камчатке является Мутоновское, мощностью 300 МВт. На юге Камчатки известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, Больше-Банном, а на севере – на Киреунском месторождениях.
Курильские острова также богаты запасами тепла Земли, их вполне достаточно для тепло и электрообеспечения этой территории в течение 100—200 лет. На острове Итуруп обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова.
На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. Недра северного острова Парамушир менее изучены, однако известно, что и на этом острове есть значительные запасы геотермальной воды температурой от 70 до 950 Со.
Не смотря на высокий потенциал, можно сказать, что основные геотермальные источники в России расположены экономически невыгодно. Камчатка, Сахалин и Курильские острова отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности.
Сегодня большой интерес представляют геотермальные ресурсы Краснодарского и Ставропольского краев, Калининградской области, где имеются запасы горячей воды с температурой до 1100 Со. Запасы геотермального тепла имеются и на Чукотке, часть из них уже открыта и может активно использоваться для энергообеспечения близлежащих городов и поселков.
На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 1800 Со, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используют геотермальные ресурсы для теплоснабжения и горячего водоснабжения в сельском хозяйстве, промышленности и в быту.
Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирский регион также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного применения в промышленности и сельском хозяйстве и, конечно, для теплоснабжения городов и поселков.
По мнению экспертов, в последние годы в России наблюдается поворот к использованию геотермальных источников в энергетической отрасли. Вместе с тем, рассматривая текущее и перспективное производство электроэнергии на основе возобновляемых источников, следует отметить, что геотермальная энергия к началу века от общего количества вырабатываемой электроэнергии не превосходила 0,15 % и лишь к 2010 г. хотя и увеличится на треть, но не превысит 0,2 % с общей выработкой на уровне 7 ТВт-ч.
Технологические ограничения использования геотермальной энергии:
- месторождения глубинных термальных вод расположенных по территории России неравномерно; запасы большинства геотермальных месторождений имеют низкие и средние температуры, что не позволяет обеспечить их конкурентоспособность с традиционными энергоносителями; высокая минерализация геотермальных вод, а следовательно снижение срока службы скважин и оборудования;
- для использования приповерхностных геотермальных ресурсов характерно фактическое отсутствие методического и нормативного обеспечения проектирования и строительства этих систем в почвенно-климатических условиях России, а также характерны повышенные единовременные капитальные вложения при сравнительно низких эксплуатационных издержках;
- для технологии с использованием глубинного тепла земли - высокая стоимость строительства скважин (от 70 до 90% основных производственных фондов).
Необходимо отметить, что
расходы на производство геотермальной
энергии зависят от региона. Следовательно,
экономически целесообразно развивать
данный вид энергетики в вулканических
областях или регионах с горячими
термальными источниками. Там можно
просто пробурить скважину к грунтовым
водам, тогда водный пар поднимется вверх
и поступит в сеть централизованного
теплоснабжения или на турбины, приводящие
в действие генераторы.
Согласно прогнозам Research.Techart, доля геотермальной энергетики к 2020 году может достигнуть 0,3% в совокупном энергобалансе. Установленная мощность составит 750 МВт (что практически в 10 раз больше нынешнего показателя) и посредством термальных ресурсов земли может вырабатываться до 5 млрд кВт-ч электричества.
Прогнозная динамика ввода геотермальных мощностей представлена на рисунке.
Рисунок 2. Прогнозная динамика ввода новых геотермальных мощностей, МВт
Наибольший прирост установленных мощностей ожидается в период с 2015 по 2020 годы (более чем в 2 раза).
Развитию отрасли будет также способствовать увеличение объема инвестиций.
Рисунок 3. Оценка объемов инвестиций в создание объектов геотермальной энергетики, млрд руб.
Так, до 2020 года в строительство новых геотермальных объектов будет вложено около 60 млрд руб.
В соответствии с Энергетической стратегией России до 2020 года планируется рост теплопотребления в стране не менее чем в 1,3 раза, причем доля децентрализованного теплоснабжения будет возрастать с 28,6% в 2000 г. до 33% в 2020 г.
В этой связи можно ожидать увеличение числа реализованных проектов в области обеспечения населения теплонасосной техникой.
При подготовке статьи были использованы материала отчета "Маркетинговое исследование российского рынка геотермальной энергетики"