Страны использующие геотермальную энергетику

Геотермальная энергия: пройденный этап или шаг в будущее

Геотермальная энергия стала новой надеждой на замедление климатических изменений каких-то 10 лет назад. Возможности, предлагаемые этим источником энергии, на тот момент казались идеальными: он был неисчерпаемым, не зависел от погодных условий и работал круглосуточно. Геотермальная энергия была обозначена как скрытый чемпион среди источников энергии будущего. Тем не менее, первые неудачи произвели отрезвляющий эффект, и риски, связанные с проведением разведки, в частности, сделали инвесторов нерешительными. Здесь подразумевается риск проведения дорогостоящего бурения на месте, но не нахождение достаточного количества термальной воды или требуемых температур недр для экономической реализации проекта. И возникает вопрос: геотермальная энергия и ГеоТЭС – это прошлый век или перспективное будущее? Каков потенциал геотермальной энергии на нашей планете? Давайте разберемся поэтапно, начиная с того, как было, есть и будет.

Краткий исторический экскурс

Многим современникам будет интересен тот факт, что старейший СПА-центр в виде каменного бассейна, который берет свои воды из горячих источников, расположен в Китае и предположительно построен в III веке до нашей эры. Но настоящими первопроходцами были древние римляне. Например, в Помпеях начали использовать геотермальную энергию для обогрева зданий и подогрева воды еще задолго до того, как это сделали китайцы, в VII-VI ст. до н.э.

Первый известный в Европе «оздоровительный курорт» с горячими источниками был основан в 1326 году в Бельгии, а первое промышленное использование геотермальной энергии началось в конце XVIII века в Италии. Пар, поступающий из естественных вентиляционных отверстий (и из пробуренных отверстий), использовался для извлечения борной кислоты из горячих бассейнов, которые сейчас известны как месторождения Лардерелло. В 1904 году итальянский ученый Пьеро Джинори Конти изобрел первую геотермальную электростанцию, в которой для производства энергии использовался пар (фото 1).

С помощью вышеуказанного эксперимента в Америке в 1922 году запустили первую ГеоТЭС мощностью 250 киловатт. В 1960-х годах была введена в эксплуатацию первая крупная геотермальная электростанция в Сан-Франциско, вырабатывающая 11 мегаватт электроэнергии. Сегодня же в США работает более 60 геотермальных электростанций на 18 участках по всей стране.

В 1973 году, когда начался нефтяной кризис, многие страны начали искать возобновляемые источники энергии, именно потому к 1980-м годам стали набирать популярность геотермальные тепловые насосы (GHP), которые дали возможность снизить затраты на отопление и охлаждение.

Шло время, происходили явные климатические изменения – и правительства разных стран объединили свои усилия для решения глобальных проблем. Одним из шагов было подписание в Японии в 1997 году Киотского протокола, которым установили целевые показатели выбросов для развитых стран и предусмотрели инвестирование и передачу технологий развивающимся странам. Этот протокол ратифицировали 184 страны.

Наиболее распространенное использование геотермальной энергии в мире

Геотермальную энергию используют для разных сфер и назначений, ниже рассмотрим некоторые из них (рис. 1).

Геотермальные тепловые насосы. Геотермальные (наземные) тепловые насосы имеют наибольшее потребление энергии (55,30%) и установленную мощность (70,95%) в мире. По данным исследований, в 2000 году такие насосы использовали 26 стран, а в 2015-м – уже 48. Лидеры по установленным единицам – США, Китай, Швеция, Германия и Франция.

Отопление помещений. 89% годового потребления энергии приходится на центральное отопление (28 стран). Среди лидеров – Китай, Исландия, Турция, Франция и Германия, тогда как Турция, США, Италия, Словакия и Россия являются основными пользователями в индивидуальном секторе отопления (рис. 2).

Обогрев теплиц и грунта. Активные страны-пользователи: Турция, Россия, Венгрия, Китай и Нидерланды.

Сушка сельскохозяйственных культур. 15 стран используют геотермальную энергию для сушки различных зерновых, овощных и фруктовых культур. Например: Исландия – для сушки водорослей; США – лука; Сербия – пшеницы и других зерновых; Сальвадор, Гватемала и Мексика – фруктов; Новая Зеландия – люцерны, Мексика, Новая Зеландия и Румыния – древесины.

Тепло, используемое для промышленных целей. Зачастую идет круглосуточное потребление энергии. Например: розлив воды и газированных напитков (Болгария, Сербия и США), пастеризация молока (Румыния и Новая Зеландия), кожевенная промышленность (Сербия и Словения), целлюлозно-бумажная обработка (Новая Зеландия), добыча йода и соли (Вьетнам) и т.д.

Таяние снега и льда. Большинство таких проектов в Исландии, Аргентине, Японии и США, а в ограниченной степени – в Польше и Словении. По оценкам, во всем мире отапливается 2,5 миллиона квадратных метров дорожного покрытия, большинство из которых находится в Исландии (74%). В некоторых районах Исландии используется горячая вода от геотермальных электростанций под дорогами и тротуарами, чтобы помочь растопить лед. В Аргентине используется геотермальный пар для таяния снега на шоссе в Андах.

Туризм. Почти в каждой стране есть СПА-центры и курорты, которые имеют бассейны с подогревом геотермальной водой. Более 70 стран используют геотермальную энергию с этой целью, в наибольшей мере – Китай, Япония, Турция, Бразилия и Мексика.

Другое использование. Тринадцать стран используют данную энергию для животноводства, выращивания спирулины, опреснения и стерилизации бутылок. В Новой Зеландии – для орошения и защиты от замерзания геотермального туристического парка.

Сегодняшнее состояние отрасли

Геотермальные технологии рассматриваются многими учеными как потенциальный лидер в переходе к обществу без углерода. Не случайно в 2017 году на КС-21 в Париже был создан Глобальный геотермальный альянс, коалиция из 38 стран, объединившихся с целью усиления роли геотермальной энергии на международной арене.

Буквально за последние три года частично изменилась первая пятерка стран-лидеров по геотермальной установленной мощности (рис. 3, 4).

На сегодня позицию лидера по производству геотермальной электроэнергии удерживают Соединенные Штаты. Индонезия обогнала Филиппины и заняла второе место. Хотя правительство Филиппин прогнозирует удвоение потенциала возобновляемых источников энергии к 2030 году, большая часть которого будет поступать именно от геотермальной энергии, что способствует строительству новых ГеоТЭС в стране.

Осенью 2018 года в Турции и Новой Зеландии запустили новые геотермальные электростанции – это послужило толчком для попадания данных стран в пятерку лидеров (рис.4).

В настоящее время общая мировая мощность составляет 14,37 ГВт. Хотя США по-прежнему являются крупнейшей геотермальной страной, но ограниченная деятельность в области развития приводит к тому, что такие страны, как Индонезия и Турция, становятся более привлекательными для инвесторов.

ТОП-5 геотермальных электростанций мира

1. Комплекс Geysersмощностью 1,52 ГВт, Калифорния, США. Крупнейшее геотермальное поле в мире, в его состав входит 22 геотермальные электростанции. Geysers обеспечивает потребности в электроэнергии нескольких округов Калифорнии.

2. Комплекс Lardarello, мощность 770 МВт, Италия. Состоит из 34 станций. Фактически 10% мировой геотермальной энергии производится этим единственным комплексом, который к тому же один из старейших в мире.

3. ГеоТЭС Cerro Prieto, мощность 720 МВт, Мексика. Это большой комплекс, состоящий из нескольких геотермальных электростанций, расположенных в мексиканском регионе Нижняя Калифорния.

4. Комплекс Makiling-Banahaw, мощность 460 МВт, Филиппины. Был создан Chevron Geothermal Philippine Holdings, Inc. Коммерческое производство на этом заводе запустили в 1979 году, когда начали работать два блока мощностью 55 МВт. Позже, в 1984 году, на трех электростанциях было установлено еще шесть блоков мощностью 55 МВт. Дальнейшее расширение комплекса произошло, когда в 1994 году было установлено 6 бинарных установок нижнего цикла мощностью 15,73 МВт. В последующие годы были открыты другие энергоблоки, при этом нынешняя мощность комплекса – 460 МВт.

1. CalEnergy-Salton Sea,мощность340МВт,Калифорния,США. Объект охватывает большую территорию, которая включает в себя 10 станций. Первый блок этого комплекса начал работать в 1982 году, а самый последний введен в эксплуатацию в 2000 году.

Перспектива развития отрасли

Согласно исследованию правительства США, мировая база геотермальных ресурсов больше, чем газ, нефть, уголь и уран вместе взятые. Ученые прогнозируют, что к 2050 году геотермальная энергия США будет обеспечивать 10% энергии страны. В то же время иные исследователи придерживаются мнения, что геотермальная энергия – ограниченный ресурс, хотя геотермальная активность обычно может варьироваться от 5000 до 1 000 000 лет, что квалифицирует ее как возобновляемый ресурс.

Согласно прогнозам МЭА, глобальная геотермальная промышленность к 2023 году будет около 18 ГВт (рис. 5).

Например, Великобритания даже рассматривает возможность строительства самого длинного в мире разъема питания между Великобританией и Исландией, который обеспечил бы поставку большего количества возобновляемой энергии в 1,6 миллиона британских домов, в которых нет геотермальных тепловых насосов. Кроме того, планируется построить первую коммерческую геотермальную электростанцию в Корнуолле (Великобритания), если будут получены все необходимые средства. Это не должно вызывать удивления, поскольку некоторые страны получают прибыль от присутствия геотермальной энергии в больших масштабах. Наиболее известный пример – Исландия, чье электричество устойчиво на 100% и использует энергию ветра, гидро- и, в основном, геотермальную энергию.

А в начале января 2019 года правительство Канады объявило, что предоставит существенное финансирование для первой в стране геотермальной электростанции. Перечень стран, которые планируют в дальнейшем инвестировать в геотермальную энергию и строительство ГеоТЭС, достаточно большой. Наблюдается позитивный инвестиционный климат в данный возобновляемый источник. Цифры говорят сами за себя – у геотермальной энергии перспективное будущее.

Источник

Геотермальная энергетика

Запасы тепла Земли практически неисчерпаемы — при остывании ядра на 1 °C выделится 2*10 20 кВт*ч энергии, что в 10000 раз больше, чем содержится во всем разведанном ископаемом топливе, и в миллионы раз больше годового энергопотребления человечества. При этом температура ядра превышает 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за миллиард лет.

Тепловой поток, текущий из недр Земли через ее поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт*ч в год, что в 17 раз больше всей мировой выработки, и эквивалентно сжиганию 46 млрд тонн угля), а тепловая мощность, вырабатываемая Землей за счет радиоактивного распада урана, тория и калия-40 оценивается в 33±₂₀ 28 ТВт, т.е. до 70% теплопотерь Земли восполняется [1] . Использование даже 1% этой мощности эквивалентно нескольким сотням мощных электростанций. Однако, плотность теплового потока при этом составляет менее 0,1 Вт/м 2 (в тысячи и десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения), что затрудняет ее использование.

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 [2] .

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 год в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тысяч м³/сутки. На двадцати месторождениях ведётся промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Черкесское и Казьминское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край).

Достоинства и недостатки

Достоинства

Главным достоинством геотермальной энергии является её 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. 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.

Недостатки

Для того, что бы преобразовать тепловую энергию в электрическую с помощью какой-нибудь тепловой машины (например, паровой турбины), необходимо, что бы температура геотермальных вод была достаточно велика, иначе КПД тепловой машины будет слишком низким (например, при температуре воды 40°C и температуре окружающей среды 20°C КПД идеальной тепловой машины составит всего 6%, а КПД реальных машин еще ниже, кроме того, часть энергии будет потрачена на собственные нужды станции — например, на работу насосов, которые качают теплоноситель из скважины и закачивают остывший теплоноситель обратно). Для генерации электроэнергии целесообразно использовать геотермальную воду температурой от 150°C и выше. Даже для отопления и горячего водоснабжения требуется температура не ниже 50°C. Однако, температура Земли растет с глубиной довольно медленно, обычно геотермический градиент составляет всего 30°C на 1 км, т.е. даже для горячего водоснабжения потребуется скважина глубиной более километра, а для генерации электроэнергии — несколько километров. Бурение таких глубоких скважин обходится дорого, кроме того, на перекачку теплоносителя по ним тоже требуется затратить энергию, поэтому использование геотермальной энергии далеко не везде целесообразно. Практически все крупные ГеоЭС расположены в местах повышенного вулканизма — Камчатка, Исландия, Филиппины, Кения, поля гейзеров [en] в Калифорнии (США) и т.д, где геотермический градиент гораздо выше, а геотермальные воды находятся близко к поверхности.

Одна из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт, на что требуется расход энергии. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, свинца, цинка, кадмия), неметаллов (например, бора, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Закачка отработанной воды необходима еще и для того, что бы давление в водоносном пласте не упало, что приведет к уменьшению выработки геотремальной станции, или ее полной неработоспособности.

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 возобновляемых источниках энергии. Однако направление получило развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных заселённых географических районах, где отсутствуют или относительно дороги горючие полезные ископаемые, а также благодаря правительственным программам.

Установленная мощность геотермальных электростанций в мире на начало 1990-х годов составляла около 5 ГВт, на начало 2000-х годов — около 6 ГВт. В конце 2008 года суммарная мощность геотермальных электростанций планеты выросла до 10,5 ГВт [3] .

Установленная мощность геотермальных электростанций по странам

Страна	Мощность в 2007 г., МВт[4]	Мощность в 2010 г., МВт [5]	Доля в 2010 г. [источник не указан 2669 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	0,05 %
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	9731,9	10709,7

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 [6] . 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 [7] . «На „Гейзерс“ сейчас приходится одна четвёртая часть всей произведенной в Калифорнии альтернативной [не-гидро] энергии» [8] . 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.

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 % [9] компаний-членов Геотермал Энерджи Ассошиэйшн (Geothermal Energy Association) в настоящее время стремятся делать бизнес не только на территории США, но и за её пределами (в Турции, Кении, Никарагуа, Новой Зеландии, Индонезии, Японии и прочее).

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. На сегодняшний день в Кении находится самая мощная ГеоЭС в мире, Олкария IV.

Россия

Впервые в мире неводяные пары как тепловой носитель применены на Паратунской ГеоТЭС в 1967 году. [10]

Сегодня на Камчатке 40 % потребляемой энергии вырабатывается на геотермальных источниках [11] .
По данным института вулканологии Дальневосточного Отделения РАН, геотермальные ресурсы Камчатки оцениваются в 5000 МВт. [12] Российский потенциал реализован только в размере немногим более 80 МВт установленной мощности (2009) и около 450 млн. кВт·ч годовой выработки (2009):

• Мутновское месторождение:
  • Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт·э (2011) и выработкой 69,5 млн кВт·ч/год (2010) (81,4 в 2004),
  • Мутновская ГеоЭС 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)
• Паужетское месторождение возле вулканов Кошелева и Камбального — Паужетская ГеоТЭС мощностью 14,5 МВт·э (2011) и выработкой 43,1 млн кВт·ч (на 2010 год проводится реконструкция с увеличением мощности до 18 МВт·э).
• Месторождение на острове Итуруп (Курилы): Океанская ГеоТЭС установленой мощностью 2,5 МВт·э (2009). Существует проект мощностью 34,5 МВт и годовой выработкой 107 млн кВт·ч.
• Кунаширское месторождение (Курилы): Менделеевская ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт·э (2009).

В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато и приостановлено строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт.

В Краснодарском крае эксплуатируется 12 геотермальных месторождений. [13]

Япония

В Японии насчитывается 20 геотермальных электростанций, однако геотермальная энергетика играет незначительную роль в энергетическом секторе страны: в 2013 году этим методом производилось 2596 ГВт/ч электроэнергии, что составляет около 0,25% от общего объёма электроснабжения страны

Классификация геотермальных вод [14]

По температуре

Слаботермальные	до +40 °C
Термальные	от +40 до +60 °C
Высокотермальные	от +60 до +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
солёные	10,0—35,0 г/л
рассольные	более 35,0 г/л

По общей жёсткости

очень мягкие	до 1,2 мг-экв/л
мягкие	1,2—2,8 мг-экв/л
средние	2,8—5,7 мг-экв/л
жёсткие	5,7—11,7 мг-экв/л
очень жёсткие	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 около 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. [2]

Источник