Геотермальные электростанции
Энерговооруженность
общества - основа его научно-технического
прогресса, база развития производственных
сил. Её соответствие общественным потребностям
- важнейший фактор экономического
роста. Развивающееся мировое хозяйство
требует постоянного наращивания
энерговооруженности производства. Она
должна быть надежна и с расчетом на отдаленную
перспективу. Энергетический кризис 1973-1974
годов в капиталистических странах продемонстрировал,
что этого трудно достичь, основываясь
лишь на традиционных источниках энергии
(нефти, угле, газе). Необходимо не только
изменить структуру их потребления, но
и шире внедрять нетрадиционные, возобновляемые
источники энергии (НВИЭ). К ним относят
солнечную, геотермальную, ветровую энергию,
а также энергию биомассы и мирового океана.
Сюда же, относят и атомную энергию, но
на нынешнем этапе ее развития это представляется
крайне расплывчато. В отличие от ископаемых топлив,
нетрадиционные виды энергии не ограничены
геологически накопленными запасами.
Это означает, что их использование и потребление
не ведет к необратимому исчерпанию ресурсов.
Основной фактор при оценке целесообразности
использования НВИЭ - стоимость производимой
энергии в сравнении со стоимостью энергии,
получаемой обычными методами. Особое
значение приобретают нетрадиционные
источники для удовлетворения локальных
потребителей энергии.
Из приведенных выше альтернативных источников
энергии, одним из самых распространенных,
развитым в технологическом плане, востребованным
и, что важно, дешевым, является геотермальная
энергия. Благодаря этим качествам, уже
с начала XX века она получила широкое распространение
даже относительно других альтернативных
источников энергии, что дает право надеяться,
что она займет достойное место в развитии
альтернативной энергетики нынешнего,
а возможно и последующих столетий.
1. Геотермальная энергия
Мировой потенциал. перспективы развития
Геотермальная
энергия - это энергия, получаемая из
природного тепла Земли, образующаяся
за счет расщепления радионуклидов
в результате физико-химических процессов
в земных недрах. 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. Тепло возникает
там, прежде всего, за счет
распада природных радиоактивных элементов, таких
как уран и калий.
Однако тепло Земли очень "рассеянно",
и в большинстве районов мира человеком
может использоваться с выгодой только
очень небольшая часть такой энергии.
Из них пригодные для использования геотермальные
ресурсы составляют всего 1% общей теплоемкости
верхней 10-километровой толщи земной коры,
или 137 трлн. т. у. т (тонн условного топлива).
Но и это количество геотермальной энергии
может обеспечить нужды человечества
на долгое время. Области повышенной сейсмической
активности, вокруг краев континентальных
плит являются наилучшими местами для
строительства геотермальных электростанций,
потому что кора в таких зонах намного
тоньше. Именно поэтому наиболее перспективные
геотермальные ресурсы находятся в зонах
вулканической активности. К сожалению,
человечество еще не научилось использовать
энергию вулканов в мирных целях. А вот
рассматриваемые далее скрытые, на первый
взгляд незаметные, проявления энергии
земных недр, уже давно эффективно используются
людьми для получения тепловой, а в течение
последних почти 100 лет и электрической
энергии.
При непосредственном использовании,
высокотемпературное тепло, нагревающее
геотермальную воду до значений температур,
не превышающими 100°С, как правило, используется
для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения
и других подобных целей. Практика прямого
использования тепла широко распространена
на границах тектонических плит, например
в Исландии, Японии, и Дальнем Востоке.
Примером такого источника тепла служат
гейзеры. Водопровод в таких случаях монтируется
непосредственно в глубинные скважины.
При значениях температур геотермальных
вод превышающих 140 - 150°С, когда вода вблизи
от поверхности земли нагревается до температуры
кипения, в результате чего в виде водяного
пара вырывается на поверхность, экономически,
наиболее выгодно использовать геотермальную
энергию для выработки электричества.
Таблица 1 - Соотношения значений температур
и способов применения геотермальной
энергии Значение температуры воды,°СОбласть
применения Более 150Выработка электроэнергииМенее
100Системы отопления зданийОколо 60Системы
горячего водоснабженияМенее 60Теплоснабжение
теплиц, геотермальные холодильные установки
и т.п.
Группа экспертов из Всемирной ассоциации
по вопросам геотермальной энергии, которая
произвела оценку запасов низко - и высокотемпературной
геотермальной энергии для каждого континента,
получила следующие данные по потенциалу
различных типов геотермальных источников
нашей планеты (Смотри таблицу 2).
Таблица 2 - Геотермальный потенциал низко-
и высокотемпературной энергии Наименование континента Тип
геотермального источника: Высокотемпературный,
используемый для производства электроэнергии,
ТДж/годНизкотемпературный, используемый
в виде теплоты, ТДж/год (нижняя граница)
традиционные технологиитрадиционные
и бинарные технологииЕвропа18303700>370Азия29705900>320Африка12202400>240Северная
Америка13302700>120Латинская Америка28005600>240Океания10502100>110Мировой
потенциал1120022400>1400
Как видно из этой таблицы, потенциал геотермальных
источников энергии просто таки колоссален.
Однако используется он крайне незначительно:
установленная мощность ГеоТЭС во всем
мире на начало 1990-х годов составляла всего
лишь около 5000, а на начало 2000-х годов -
около 6000 МВт, существенно уступая по этому
показателю большинству электростанций,
работающих на других возобновляемых
источниках энергии. Да и выработка электроэнергии
на ГеоТЭС в этот период времени была незначительной.
Об этом свидетельствуют следующие данные.
В структуре мирового производства электроэнергии,
возобновляемые источники энергии в 2000
году обеспечили 19 % общемирового производства
электроэнергии. При этом, несмотря на
значительные темпы развития, геотермальная,
солнечная и ветровая энергия составляла
в 2000 году менее 3 % от общего объема использования
энергии, получаемой от возобновляемых
источников.
Однако в настоящее время геотермальная
электроэнергетика развивается ускоренными
темпами, не в последнюю очередь из-за
галопирующего увеличения стоимости нефти
и газа. Этому развитию во многом способствуют
принятые во многих странах мира правительственные
программы, поддерживающие это направлениеразвития
геотермальной энергетики.Отметим, что
геотермальные ресурсы разведаны в 80 странах
мира и в 58 из них активно используются.
Крупнейшим производителем геотермальной
электроэнергии являются США, где геотермальная
электроэнергетика, как один из альтернативных
источников энергии, имеет особую правительственную
поддержку. В США в 2005 году на ГеоТЭС было
выработано около 16 млрд. кВт?ч электроэнергии
в таких основных промышленных зонах,
как зона Больших гейзеров, расположенная
в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт
установленной мощности), северная часть
Соленого моря в центральной Калифорнии
(570 МВт установленной мощности), Невада
(235 МВт установленной мощности) и др. Геотермальная
электроэнергетика бурно развивается
также в ряде других стран, в том числе:
на Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало
2003 года было установлено 1930 МВт электрической
мощности, что позволило обеспечить около
27% потребностей страны в электроэнергии;
в Италии, где в 2003 году действовали геотермальные
энергоустановки общей мощностью в 790
МВт; в Исландии, где действуют пять теплофикационных
ГеоТЭС общей электрической мощностью
420 МВт, вырабатывающие 26,5 % всей электроэнергии
в стране; в Кении, где в 2005 году действовали
три ГеоТЭС общей электрической мощностью
в 160 МВт и были разработаны планы по доведению
этих мощностей до 576 МВт. Перечень государств
лидеров, где ускоренными темпами развивается
геотермальная электроэнергетика, смотри
в таблице 3.Таблица 3 - Топ-15 стран, использующих
геотермальную энергию (данные на 2007 г.)СтранаМощность
(МВт) США2687Филиппины1969,7Индонезия 992Мексика953Италия810,5Япония535,2Новая
Зеландия471,6Исландия 421,2Сальвадор204,2Коста-Рика162,5Кения128,8Никарагуа87,4Россия79Папуа-Новая
Гвинея56Гватемала53К сожалению, 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.Характеризуя
развитие мировой геотермальной электроэнергетики
как неотъемлемой составной части возобновляемой
энергетики на более отдаленную перспективу,
отметим следующее. Согласно прогнозным
расчетам в 2030 году ожидается некоторое
(до 12,5 % по сравнению с 13,8 % в 2000 году) снижение
доли возобновляемых источников энергии
в общемировом объеме производства энергии.
При этом энергия солнца, ветра и геотермальных
вод будет развиваться ускоренными темпами,
ежегодно увеличиваясь в среднем на 4,1
%, однако вследствие "низкого" старта
их доля в структуре возобновляемых источников
и в 2030 году будет оставаться наименьшей.
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.Геотермальная энергетика,
и геотермальные электростанции в том
числе, является одним из самых перспективных
видов получения альтернативных источников
энергии. Современная востребованность
геотермальной энергии как одного из видов
возобновляемой энергии обусловлена,
прежде всего, истощением запасов органического
топлива и зависимостью большинства развитых
стран от его импорта (в основном импорта
нефти и газа), а также с существенным отрицательным
влиянием традиционной энергетики на
окружающую среду.
Все же, применяя
геотермальную энергию, следует
в полной мере учитывать ее достоинства
и недостатки. Главными достоинствами геотермальной
энергии являются;
-возможность
ее использования в виде геотермальной
воды или смеси воды и пара
(в зависимости от их температуры)
для нужд горячего водо- и теплоснабжения,
а так же для выработки электроэнергии
либо одновременно для того и другого;
-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);
-экономическая эффективность в несколько
раз превосходит традиционные виды получения
электроэнергии, а также и другие виды
НВИЭ;
-ее практическая
неиссякаемость;
-полная независимость
в работе от условий окружающей среды, времени
суток и года;
-коэффициент
использования превышает 90%;
Тем самым, использование
геотермальной энергии (наряду с
использованием других экологически чистых
возобновляемых источников энергии) может
внести существенный вклад в решение следующих неотложных
проблем;
-обеспечение
устойчивого тепло - и электроснабжения
населения в тех районах нашей
планеты, где централизованное
энергоснабжение отсутствует или
обходится слишком дорого (например,
в России на Камчатке, в районах
Крайнего Севера и т.п.);
-обеспечение
гарантированного минимума энергоснабжения
населения в зонах неустойчивого
централизованного энергоснабжения
из-за дефицита электроэнергии
в энергосистемах, предотвращение
ущерба от аварийных и ограничительных
отключений и т.п.;
-снижение вредных выбросов от энергоустановок
в отдельных регионах со сложной экологической
обстановкой;
Указанные преимущества приводят к тому,
что геотермальная энергетика, несмотря
на свою молодость (у нее всего 100-летняя
история) развивается сейчас во всем мире;
Основными недостатками геотермальной
энергии являются:
необходимость обратной закачки отработанной
воды в подземный водоносный горизонт;
-высокая минерализация
термальных вод большинства месторождений,
наличие в воде токсичных соединений
и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность
сброса этих вод в расположенные на поверхности
природные водные системы;
-ограниченные районы источников такой
энергии;
-низкий температурный потенциал теплоносителя
-ограниченность промышленного опыта
эксплуатации станций;
Также развитие геотермальной энергетики
останавливает высокая цена установок,
а также более низкий выход энергии в сравнении
с газовыми или нефтяными скважинами.
С другой стороны - их можно использовать
гораздо дольше, чем месторождения традиционных
источников.
Отмеченные выше недостатки геотермальной
энергии приводят к тому, что для практического
использования теплоты геотермальных
вод необходимы значительные капитальные
затраты на бурение скважин, обратную
закачку отработанной геотермальной воды,
а также на создание коррозийно-стойкого
теплотехнического оборудования.
Однако в связи с внедрением новых, менее
затратных, технологий бурения скважин,
применением эффективных способов очистки
воды от токсичных соединений и металлов
капитальные затраты на отбор тепла от
геотермальных вод непрерывно снижаются.
К тому же, следует иметь ввиду, что геотермальная
энергетика в последнее время существенно
продвинулась в своем развитии. Так, последние
разработки показали возможность выработки
электроэнергии при температуре пароводяной
смеси ниже 80 ºС, что позволяет гораздо шире
применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии.
В связи с этим ожидается, что в странах
со значительным геотермальным потенциалом
и первую очередь в США мощность ГеоТЭС
в самое ближайшее время удвоится.
2. Геотермальные электростанции
Виды ГеоТЭС по принципу работы
Геотермальная
электростанция (ГеоТЭС) - вид электростанций,
которые вырабатывают электрическую
энергию из тепловой энергии подземных
источников.Схема работы геотермальной
электростанции достаточно проста. Вода,
через специально пробуренные отверстия,
закачивается глубоко под землю, в те слои
земной коры, которые естественным образом
довольно сильно нагреты. Просачиваясь
в трещины и полости горячего гранита,
вода нагревается, вплоть до образования
водяного пара, и по другой, параллельной
скважине поднимается обратно. После этого
горячая вода поступает непосредственно
на электростанцию, в теплообменник, и
её энергия преобразуется в электрическую.
Это происходит посредством турбины и
генератора, как и во многих других типах
электростанций. В другом варианте геотермальной
электростанции, используются природные
гидротермальные ресурсы, т.е. вода, нагретая
до высокой температуры в результате естественных
природных процессов. Однако область использования
подобных ресурсов значительно ограничена
наличием особых геологических районов.
В этом случае в теплообменник поступает
уже нагретая вода, выкачанная из земных
недр. В другом случае - вода в результате
высокого геологического давления, поднимается
самостоятельно, через специально пробуренные
отверстия. Это, так скажем, общий принцип
работы геотермальной электростанции,
который подходит для всех их типов. По
своему техническому устройству, геотермальные
электростанции подразделяются на несколько
видов:-геотермальные электростанции
на парогидротермах - это электростанции,
в которых используется уже нагретая природой
вода; -двухконтурная геотермальная
электростанция на водяном паре. В таких
электростанциях имеется специальный
двухконтурный парогенератор, позволяющий
генерировать "добавочный" пар. Иными
словами на "горячей" стороне парогенератора
используется геотермальный пар, а на
"холодной" его стороне генерируется
вторичный пар, полученный из подведенной
воды;
-двухконтурная геотермальная электростанция
на низкокипящих рабочих веществах. Область
применения таких электростанций - использование
очень горячих (до 200 градусов) термальных
вод, а также использование дополнительно
воды на месторождениях парогидротерм,
о которых было сказано выше; В настоящее время существует
три схемы производства электроэнергии
с использованием геотермальных ресурсов: -прямая с использованием сухого
пара
-непрямая с использованием водяного пара
-смешанная схема производства (бинарный
цикл)
Тип преобразования зависит от состояния
среды (пар или вода) и ее температуры.