Страны с геотермальными электростанциями

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 энергия — Geothermal power

Геотермальная энергия является энергией , вырабатываемой с помощью геотермальной энергии . Используемые технологии включают электростанции с сухим паром, электростанции с мгновенным испарением пара и электростанции с двойным циклом. В настоящее время геотермальное производство электроэнергии используется в 26 странах, а геотермальное отопление — в 70 странах.

По состоянию на 2019 год мировая мощность геотермальной энергии составляет 15,4 гигаватт (ГВт), из которых 23,86 процента или 3,68 ГВт установлены в Соединенных Штатах . Международные рынки росли в среднем на 5 процентов в год в течение трех лет до 2015 года, а мировая мощность геотермальной энергии, как ожидается, достигнет 14,5–17,6 ГВт к 2020 году. Основываясь на текущих геологических знаниях и технологиях, публично раскрывает GEA, Ассоциация геотермальной энергии (GEA) оценивает, что до сих пор было задействовано только 6,9 процента от общего глобального потенциала, в то время как IPCC сообщила, что потенциал геотермальной энергии находится в диапазоне от 35 ГВт до 2 ТВт . Страны, вырабатывающие более 15 процентов своей электроэнергии из геотермальных источников, включают Сальвадор , Кению , Филиппины , Исландию , Новую Зеландию и Коста-Рику .

Геотермальная энергия считается устойчивым , возобновляемым источником энергии , поскольку отвод тепла мал по сравнению с содержанием тепла Земли . В выбросов парниковых газов геотермальных электростанций в среднем на 45 г диоксида углерода за киловатт-час электроэнергии, или менее чем 5 процентов , что обычных угольных электростанций.

В качестве источника возобновляемой энергии для производства электроэнергии и тепла геотермальная энергия может удовлетворить 3-5% мирового спроса к 2050 году. По оценкам, при наличии экономических стимулов к 2100 году можно будет удовлетворить 10% мирового спроса.

СОДЕРЖАНИЕ

История и развитие

В 20 веке спрос на электроэнергию привел к рассмотрению геотермальной энергии в качестве источника генерации. Принц Пьеро Джинори Конти испытал первый геотермальный электрогенератор 4 июля 1904 года в Лардерелло , Италия. Он удачно зажег четыре лампочки. Позже, в 1911 году, здесь была построена первая в мире коммерческая геотермальная электростанция. Экспериментальные генераторы были построены в Беппу , Япония, и Гейзерах , Калифорния, в 1920-х годах, но Италия была единственным в мире промышленным производителем геотермальной электроэнергии до 1958 года.

В 1958 году Новая Зеландия стала вторым крупным промышленным производителем геотермальной электроэнергии, когда была введена в эксплуатацию ее станция Вайракей . Wairakei была первой станцией, использующей технологию мгновенного пара. За последние 60 лет чистая добыча жидкости превысила 2,5 км 3 . Проседание в Вайракей-Таухара было проблемой в ряде официальных слушаний, связанных с экологическими разрешениями на расширенное развитие системы как источника возобновляемой энергии.

В 1960 году компания Pacific Gas and Electric начала эксплуатацию первой успешной геотермальной электростанции в США в Гейзерсе в Калифорнии. Первоначальная турбина прослужила более 30 лет и вырабатывала полезную мощность 11 МВт .

Электростанция с бинарным циклом была впервые продемонстрирована в 1967 году в Советском Союзе, а затем представлена ​​в США в 1981 году после энергетического кризиса 1970-х годов и значительных изменений в политике регулирования. Эта технология позволяет использовать ресурсы с гораздо более низкой температурой, чем это было ранее. В 2006 году в Чена Хот Спрингс на Аляске была запущена станция бинарного цикла , которая вырабатывает электроэнергию за счет рекордно низкой температуры жидкости 57 ° C (135 ° F).

До недавнего времени геотермальные электростанции строились исключительно там, где высокотемпературные геотермальные ресурсы доступны вблизи поверхности. Развитие электростанций с двойным циклом и усовершенствование технологий бурения и добычи могут позволить усовершенствовать геотермальные системы в гораздо большем географическом диапазоне. Демонстрационные проекты реализуются в Ландау-Пфальце , Германия, и Сульс-су-Форе , Франция, в то время как предыдущие проекты в Базеле , Швейцария, были остановлены после того, как вызвали землетрясения. Другие демонстрационные проекты строятся в Австралии , Великобритании и Соединенных Штатах Америки .

Тепловой КПД геотермальных электростанций невелик, около 7-10%, потому что геотермальные флюидов при низкой температуре по сравнению с паромами из котлов. По законам термодинамики эта низкая температура ограничивает эффективность тепловых двигателей в извлечении полезной энергии при производстве электричества. Отработанное тепло тратится впустую, если его нельзя использовать напрямую и на месте, например, в теплицах, лесопилках и централизованном теплоснабжении. Эффективность системы не влияет на эксплуатационные расходы, как это было бы для угольной или другой электростанции, работающей на ископаемом топливе, но она влияет на жизнеспособность станции. Чтобы производить больше энергии, чем потребляют насосы, для выработки электроэнергии требуются высокотемпературные геотермальные поля и специальные тепловые циклы. Поскольку геотермальная энергия не зависит от переменных источников энергии, в отличие, например, от ветра или солнца, ее коэффициент использования может быть довольно большим — было продемонстрировано до 96%. Однако , по данным МГЭИК, в 2008 году средний мировой коэффициент использования мощности составлял 74,5% .

Ресурсы

Теплосодержание Земли составляет около 1 × 10 19 ТДж (2,8 × 10 15 ТВтч) . Это тепло естественным образом течет к поверхности за счет теплопроводности со скоростью 44,2 ТВт и пополняется за счет радиоактивного распада со скоростью 30 ТВт. Эти показатели мощности более чем вдвое превышают текущее потребление энергии человечеством из первичных источников, но большая часть этой мощности является слишком рассеянной ( в среднем примерно 0,1 Вт / м 2 ), чтобы ее можно было восстановить. В земной коре эффективно действует в качестве изолирующего толстого одеяла , которое должно быть пронизанным жидкостными каналами (из магмы , воды или других) , чтобы освободить тепла под ним.

Производство электроэнергии требует высокотемпературных ресурсов, которые могут поступать только из глубоких подземных слоев. Тепло должно переноситься на поверхность посредством циркуляции жидкости либо через магматические каналы , горячие источники , гидротермальную циркуляцию , нефтяные скважины , пробуренные водяные скважины, либо через их комбинацию. Эта циркуляция иногда существует естественным образом там, где кора тонкая: магматические каналы переносят тепло близко к поверхности, а горячие источники переносят тепло на поверхность. Если горячих источников нет, необходимо пробурить скважину в горячем водоносном горизонте . Вдали от границ тектонических плит геотермический градиент составляет 25–30 ° C на километр (км) глубины в большей части мира, поэтому скважины должны быть глубиной в несколько километров, чтобы обеспечить производство электроэнергии. Количество и качество извлекаемых ресурсов улучшается с увеличением глубины бурения и близости к границам тектонических плит.

В жаркой, но сухой почве или при недостаточном давлении воды закачиваемая жидкость может стимулировать добычу. Разработчики пробурили две скважины на предполагаемом участке и разбили скалу между ними с помощью взрывчатки или воды под высоким давлением. Затем они закачивают воду или сжиженный углекислый газ в одну скважину, а он поднимается в другую скважину в виде газа. Этот подход называется геотермальной энергией горячей сухой породы в Европе или усовершенствованной геотермальной системой в Северной Америке. Этот подход может иметь гораздо больший потенциал, чем традиционный отбор естественных водоносных горизонтов.

Оценки потенциала выработки электроэнергии геотермальной энергией варьируются от 35 до 2000 ГВт в зависимости от масштаба инвестиций. Это не включает неэлектрическое тепло, рекуперированное когенерацией, геотермальными тепловыми насосами и другим прямым использованием. В отчете Массачусетского технологического института (MIT) за 2006 год, который включал в себя потенциал усовершенствованных геотермальных систем, было подсчитано, что инвестирование 1 миллиарда долларов США в исследования и разработки в течение 15 лет позволит к 2050 году создать в Соединенных Штатах 100 ГВт генерирующих мощностей. один. В отчете Массачусетского технологического института было подсчитано, что более 200 × 10 9 ТДж (200 ЗДж; 5,6 × 10 7 ТВт · ч) могут быть извлечены с потенциалом увеличения этого количества до более чем 2000 ЗДж за счет технологических усовершенствований, что достаточно для обеспечения всех нынешних мировых потребностей в энергии для нескольких тысячелетия .

В настоящее время глубина геотермальных скважин редко превышает 3 км (1,9 мили). Верхние оценки геотермальных ресурсов предполагают глубину скважин до 10 км (6,2 мили). Бурение на такой глубине теперь возможно в нефтяной промышленности, хотя это дорогостоящий процесс. Самая глубокая исследовательская скважина в мире, Кольская сверхглубокая скважина (КСДБ-3), имеет глубину 12,261 км (7,619 миль). Этому рекорду недавно подражали коммерческие нефтяные скважины, такие как скважина Z-12 компании Exxon на месторождении Чайво на Сахалине . Бурение скважин на глубину более 4 км (2,5 мили) обычно требует затрат на бурение в десятки миллионов долларов. Технологические проблемы заключаются в бурении широких стволов с меньшими затратами и в разбивании больших объемов породы.

Геотермальная энергия считается устойчивой, потому что отвод тепла невелик по сравнению с теплосодержанием Земли, но отбор все же необходимо контролировать, чтобы избежать местного истощения. Хотя геотермальные участки способны обеспечивать теплом в течение многих десятилетий, отдельные скважины могут остывать или исчерпывать воду. На трех самых старых участках, в Лардерелло, Вайракей и Гейзерах, производство снизилось со своего пика. Неясно, добывали ли эти станции энергию быстрее, чем она пополнялась с большей глубины, или истощаются питающие их водоносные горизонты. Если добыча сократится и вода будет закачана повторно, эти скважины теоретически могут полностью восстановить свой потенциал. Такие стратегии смягчения последствий уже реализованы на некоторых объектах. Долгосрочная устойчивость геотермальной энергии была продемонстрирована на месторождении Лардарелло в Италии с 1913 года, на месторождении Вайракей в Новой Зеландии с 1958 года и на месторождении Гейзерс в Калифорнии с 1960 года.

Типы электростанций

Геотермальные электростанции похожи на другие тепловые электростанции с паровыми турбинами в том, что тепло от источника топлива (в случае геотермальной энергии — ядра Земли) используется для нагрева воды или другого рабочего тела . Затем рабочая жидкость используется для вращения турбины генератора, тем самым производя электричество. Затем жидкость охлаждается и возвращается к источнику тепла.

Электростанции с сухим паром

Сухие паровые станции — самая простая и старая конструкция. Этот тип электростанции встречается не очень часто, потому что он требует ресурса, производящего сухой пар , но является наиболее эффективным, с простейшими сооружениями. На этих участках в резервуаре может присутствовать жидкая вода, но вода не выходит на поверхность, только пар. Dry Steam Power напрямую использует геотермальный пар с температурой 150 ° C или выше для вращения турбин. Когда турбина вращается, она приводит в действие генератор, который затем вырабатывает электричество и добавляет к силовому полю. Затем пар поступает в конденсатор. Здесь пар снова превращается в жидкость, которая затем охлаждает воду. После охлаждения вода стекает по трубе, по которой конденсат возвращается в глубокие колодцы, где его можно снова нагреть и добыть. В Гейзерах в Калифорнии, после первых 30 лет производства электроэнергии, запас пара истощился, а выработка значительно сократилась. Чтобы восстановить некоторую часть прежних мощностей, в 1990-х и 2000-х годах была разработана дополнительная закачка воды, включая использование сточных вод близлежащих муниципальных очистных сооружений.

Флэш-паровые электростанции

Паровые станции мгновенного испарения закачивают глубокую горячую воду под высоким давлением в резервуары с более низким давлением и используют полученный мгновенный пар для привода турбин. Для них требуется температура жидкости не менее 180 ° C, обычно больше. Это самый распространенный тип действующих сегодня станций. В паровых установках мгновенного действия используются геотермальные резервуары с водой с температурой выше 360 ° F (182 ° C). Горячая вода течет вверх через колодцы в земле под собственным напором. По мере того, как она течет вверх, давление падает, и часть горячей воды превращается в пар. Затем пар отделяется от воды и используется для питания турбины / генератора. Любая оставшаяся вода и конденсированный пар могут закачиваться обратно в резервуар, что делает его потенциально устойчивым ресурсом.

Электростанции бинарного цикла

Электростанции с двойным циклом являются самой последней разработкой и могут принимать температуру жидкости до 57 ° C. Умеренно горячая геотермальная вода проходит через вторичный флюид с гораздо более низкой температурой кипения, чем вода. Это вызывает мгновенное испарение вторичной жидкости, которая затем приводит в движение турбины. Это наиболее распространенный тип строящихся геотермальных электростанций. Используются как органические циклы Ренкина, так и калины . Тепловой КПД станций такого типа обычно составляет около 10–13%.

Источник