Энергетика использующая разность температур доклад
Обновлено: 05.07.2024
До недавнего времени распространение возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца, происходило на земле. Энергия океанов оставалась практически незадействованной. Но времена меняются. Производство экологически безопасной энергии из океанов приобретает все больше сторонников по всему миру. Многое еще впереди. Ожидается, что ветер, волны и течения океанов внесут значительную долю в удовлетворение энергетических потребностей человека.
Скрытый клад
В океанах кипит энергия. Сила прилива передвигает огромные массы воды. Сильные ветры вызывают большие волны. Почти 90% мировой энергии ветра содержится в турбулентности над поверхностью морских вод. Ветер, волны и течения вместе взятые содержат в 300 раз больше энергии, чем потребляется человечеством в настоящий момент. Долгое время это изобилие не было использовано. В последние годы, однако, мы начинаем приручать эту энергию. Построены первые морские ветряные электростанции. Сотни генераторов строятся, чтобы конвертировать энергию морских течений и волн в электричество. Основными видами морской возобновляемой энергии являются:
· Энергия ветра
· Энергия волн
· Энергия прилива
· Энергия морских течений
· Энергия, получаемая из-за различий температур на различных глубинах океана (преобразование тепловой энергии океана в электрическую – OTEC),
· Энергия, получаемая из-за различий содержания соли в соленой и пресной воде (осмотическая энергия).
Теоретически эти источники энергии могут удовлетворить потребности всей человеческой расы. Однако, только часть из этого потенциала можно использовать: разработка многих морских районов, таких как глубокая часть морей, практически недостижима, стоимость прокладки кабеля делает такие проекты нерентабельными.
Многие потенциальные места в прибрежных районах также не могут быть использованы, так как они либо отведены под рыболовство, либо под судоходство, либо защищены законом. Тем не менее, эти виды возобновляемой энергии все же могут удовлетворить значительную долю потребностей человечества в электроэнергии в будущем.
Оффшорная ветряная энергия
Ветряная энергия сейчас является на самом продвинутом этапе своего развития, и перспективы очень многообещающи. Эксперты оценивают, что только морская ветряная энергия может в будущем поставить около 5 000 тераватт-часов (TWh) электричества в год по всему миру, что примерно составляет до трети текущего потребления электроэнергии 15 500 тераватт-часов (1 тераватт-час составляет 1 триллион ватт). Ожидается, что оффшорные ветряные электростанции только в Европе смогут поставлять около 340 тераватт-часов энергии в год к 2015 году.
На данный момент всего в мире было осуществлено около 40 проектов по морской ветряной энергии, большинство из них находятся в Великобритании, Дании, Нидерландах и Швеции. Очевидны две тенденции. Одна в том, что установки становятся все больше и больше в размерах, и вторая в том, что установки постоянно перемещаются все глубже в морские воды, что позволит строить такие ветряные электростанции на больших площадях. Тогда как в начале этого столетия ветряные станции строились в прибрежных районах на глубине от 2 до 6 м, ветряные турбины сейчас крепятся к океанскому дну на глубинах более 40 м.
Разрабатываются также плавучие оффшорные концепты и для больших глубин. Первый в мире плавучий завод по производству электроэнергии недавно был построен вблизи побережья Норвегии норвежско-германским консорциумом. Благодаря опыту строительства сотен тысяч ветряных электростанций на суше технология ветряной электроэнергии в море является достаточно исследованным источником энергии.
Однако, высокая скорость ветра и суровые природные условия в море означают, что требуются некоторые технологические улучшения, это факт, который выявился после возникновения проблем при строительстве первой крупной ветряной электростанции в море в Дании. По этой причине только 12 ветряных турбин от различных производителей изначально были построены и протестированы на немецкой первой морской ветряной электростанции ‘Alpha Ventus’. Находящаяся в Северном море в 40 км от острова Боркум, эта ветряная станция была спонсирована Федеральным министерством экономики Германии.
Строительство таких заводов в море все еще стоит дороже, чем на суше, из-за сложных работ в основании и непростых соединений с линиями. Тем не менее, согласно экспертам, отрасль оффшорной ветряной энергии, поддержанная инвестициями, продолжит значительно расти в ближайшие годы.
Более подробно почитать о развитии оффшорных ветроэлектростанций можно в этой статье, а ознакомиться с судами, который занимаются их установкой можно тут.
Энергия волн
Мировой технический потенциал энергии волн оценивается на уровне 11 400 терраватт-час в год. Его возобновимый потенциал на 1 700 терраватт-часов в год составляет примерно 10% мировых потребностей в электроэнергии. Существуют различные концепции генерации электричества из энергии волн, большинство из которых могут быть классифицированы в три основных типа:
Энергия прилива
Электростанции, работающие на энергии прилива, работают по схожему принципу с гидроэлектростанциями, отличие в том, что водяные массы не текут вниз, но движутся туда и обратно с приливами и отливами. В отличие от других форм морской энергии, энергия прилива уже используется в коммерческих целях в течение некоторого времени. Электростанция La Rance начала работать в 1966 в Сент Мало на Атлантическом побережья северной Франции, где река LaRance впадает в море. При приливе вода устремляется через большие турбины электростанции, а при отливе течет обратно. Электростанция, рассчитанная на 240 мегаватт, имеет мощность, схожую с газовой электростанцией. За последние 20 лет похожие станции были установлены в Канаде, Китае, России, хотя и значительно меньшего размера. В Великобритании планируется строительство крупной электростанции на энергии прилива на реке Северн между Англией и Уэльсом. Такая станция может обеспечить до 7% потребностей всей Великобритании в электроэнергии.
Однако критики опасаются, что строительство таких дамб может разрушить природные ресурсы и среду обитания. Экологический вред может быть очень значительным. По этой причине сейчас обсуждаются альтернативные концепции и районы размещения.
Энергия океанских течений
Энергия океанских течений также может быть применена в генерации электричества, с использованием погружных роторов, которые приводятся в движение течениями. Оценивается, что электростанции на энергии приливов и морских течений совместно могут поставить до 100 терраватт-часов электричества в год в мировом масштабе.
Уже некоторое время проводятся тесты на концепциях роторов, таких как система Seaflow, прототип которой начал работу вблизи побережья Англии в 2003 году. Его последователь, SeaGen, сейчас работает в Странгфорд Нерроус вблизи побережья Ирландии. По этой концепции два ротора устанавливаются на корпусе электростанции. Это увеличивает выработку электричества и снижает высокую стоимость постройки.
Такие установки в океанах должны выдерживать очень суровые условия с подводными течениями и волнами, намного сильнее, чем, например, ветряные турбины, и по этой причине требуется их длительное тестирование на прочность. Тем не менее, технология SeaGen очень близка с моделью ветряной турбины. Угол лопасти и скорость вращения могут настраиваться, чтобы подстроиться с превалирующим течением. Другие концепции основываются на фиксированных, ненастраиваемых системах.
Энергия от разности температур слоев воды
Технология преобразования тепловой энергии океана в электрическую использует разницу температур в воде на поверхности океана и глубоких слоях воды для производства электроэнергии. Чтобы запустить цикл на такой электростанции разница температур должна быть как минимум 20 градусов. Следовательно, технология подходит для более теплых морских районов. Теплая вода используется, чтобы выпарить жидкость, кипящую на низких температурах, производя пар, который приводит в движение турбину. Холодная морская вода (4-6 градусов) затем закачивается с глубины нескольких сотен метров и используется для охлаждения и конденсации пара обратно в жидкое состояние.
До недавнего времени стоимость строительства электростанций OTEC была слишком высокой из-за трубопроводов длиной более 100 м и мощных насосных систем. Правительство США поддержало развитие и тестирование OTEC в середине 1970х, но финансирование было прекращено в 1980х. Однако, интерес к этой технологии возобновился в недавнее время. Американско-тайваньский консорциум планирует строительство установки мощностью на 10 мегаватт на Гаваях. Кроме того, общественные организации и бизнес во Франции запустили инициативу IPANEMA, которая направлена на продвижение как океанских возобновимых источников энергии, так и технологии OTEC. Оценивается, что OTEC имеет потенциал в несколько тысяч терраватт-часов электроэнергии в год. В отличие от энергии ветра и волн, эта форма производства электричества не подвержена колебанию погодных условий.
Энергия, получаемая от разности содержания соли в пресной и морской воде
Осмотическая электростанция – совершенно новый вид генерации энергии. Он использует осмотическое давление, которое возникает между соленой и пресной водой, когда они накачиваются в двойную камеру и разделяются специальной полупроницаемой мембраной. Технология все еще находится в самом начале своего развития. В 2009 члены норвежского синдиката построили первую в мире осмотическую электростанцию в Осло фьорде. Завод был разработан специально, чтобы развивать эту технологию, в настоящее время он генерирует всего несколько киловатт электричества. Однако значительный потенциал мирового производства электроэнергии из осмотического процесса в будущем может принести до 2000 тераватт-часов в год.
Правительственная помощь в развитии энергетических систем будущего
Нет сомнения, что были сделаны большие шаги в развитии технологий возобновляемой энергии, получаемой из океанов. Хотя многие технологии обещают коммерческую выгоду, однако, почти все из них зависят от дотаций, так как они разрабатываются небольшими молодыми компаниями. Кроме технологического и экономического риска, сложностью также является достижение проектных размеров, для которых могут потребоваться значительные инвестиции. Субсидии для этих технологий жизненноважны. Различные страны предлагают такие программы.
Департамент энергии США и ЕС уже инвестируют несколько сотен миллионов евро в их развитие. Сложное согласование строительства заводов и подведения высоковольтных линий также должно быть упрощено. В Германии разрешение на морскую ветряную электростанцию находится полностью в руках Федерального морского и гидрографического агентства, но в США операторы электростанций должны пробиваться через различные агентства и разрешения. Ослабление этих правил принесло бы значительную пользу развитию возобновляемых источников энергии в мире.
Правильное расположение экологически чистых электростанций
В будущем до строительства энергетических систем в море должны будут осуществляться экологические оценки того, как технология влияет на морскую экологическую среду. Многие подходящие районы расположения электростанций, вероятно, будут запрещены на экологических основаниях. Следовательно, эксперты разливают между техническим потенциалом энергетической технологии и его возобновимым потенциалом. В технический потенциал входят все места расположения электростанций, которые теоретически осуществимы. В возобновимом потенциале учитываются экологические факторы, такие как ущерб, наносимый заводом рекам. Возобновимый потенциал соответственно ниже, чем технический. Эксперты говорят о необходимости территориального планирования океанских технологий возобновимых источников энергии. До настоящего момента различные процессы получения разрешений применялись к ветряным и волновым электростанциям. Чтобы сократить процесс получения разрешений и планирования, было бы рационально совместить несколько технологий производства электроэнергии в территориальном планировании, тем самым отдавая морские районы целиком для возобновляемых источников энергии. Таким образом, было бы намного легче совместить разные технологии в одном районе, например, ветряные турбины, на которых также установлены электростанции на энергии подводных течений.
Градиент-температурная энергетика – вид альтернативной энергетики, при котором добыча энергии основывается на разности температур. Он распространен не слишком широко. С помощью данного метода можно вырабатывать достаточно большой объем энергии при усредненной себестоимости производства электрической энергии.
Множество градиент-температурных электростанций находятся на морском побережье и для работы используют морскую воду. Мировой океан поглощает примерно 70% энергии солнца, падающей на нашу планету. Перепад температур между холодными глубинными водами, находящимися на глубине в несколько сотен метров, и теплыми водами, расположенными на поверхности океана является огромным источником энергии, который оценивается в 20-40 тысяч ТВт, из которых может быть использовано только 4 ТВт.
Одновременно с этим, морские тепловые станции, работающие на основе перепадов температур морской воды и являющиеся еще одним видом альтернативной энергетики, способствуют выработке огромного количества углекислоты, снижению давления, нагреву глубинных вод и остыванию вод поверхностных слоев. Эти процессы непременно сказываются на флоре и фауне, а также на климате региона.
Биомассовая энергетика. В процессе гниения биомассы (умершие организмы, навоз, растения) выделяется биогаз с большим содержанием метана, который применяется для обогрева, выработки электрической энергии и т.д.
Следующим преимуществом данного вида альтернативной энергетики является то, что при использовании влажного навоза для генерирования энергии, от него остается остаток в сухом виде, который является отличным удобрением для полей.
В качестве биотоплива могут также использоваться быстрорастущие водоросли и другие виды органических отходов (стебли тростника, кукурузы и т.д.).
Эффект запоминания формы – физическое явление, которое впервые обнаружили советские ученые Хондрос и Курдюмов в 1949 году.
Эффект запоминания формы проявляют особые сплавы, он состоит в том, что детали из них после деформации восстанавливают свою первоначальную форму под воздействием тепла. В процессе восстановления изначальной формы может происходить работа, превосходящая значительно ту, которая была необходима для деформации в остывшем состоянии. При восстановлении своей первоначальной формы сплавы производят большое количество энергии (тепла).
Недостатком данного метода получения энергии является низкий КПД – всего 5-6%.
Использование температурного перепада между нижними слоями воды и воздухом
В нетрадиционной возобновляемой энергетике используется также энергетический потенциал, заключенный в разнице температур между нижними и верхними слоями воды водоемов или нижними слоями воды и наружным воздухом.
Примером такой установки может быть разработанная институтом химии твердого топлива (ИХТТ) и институтом теплофизики (ИТ) Сибирского отделения Российской Академии наук (СО РАН) малая энергетическая установка, использующая естественный температурный перепад между подледной водой и наружным воздухом.
Естественные температурные перепады в природе присутствуют практически везде и бывают часто весьма значительны. Перепад температур между поверхностными и глубинными слоями океана достигают 15. 20 К и свидетельствуют об огромном запасе тепловой энергии. Значительно большая разность температур между горячим источником и окружающим воздухом или водой в реке в долине гейзеров. Температура воздуха и воды в горной реке Средней Азии может различаться на 25. 30 К. И даже в условиях Сибири и Крайнего Севера имеется перепад температур между водой подо льдом и наружным воздухом. Таким образом, практически повсеместно имеется возможность создания энергетических установок, использующих тепловой потенциал, базирующийся на разности температур между слоями одной или разных сред. В установках с замкнутым циклом (Ренкина), испаряясь, легкокипящая жидкость такая, как фреон, аммиак, после турбины конденсируется в конденсаторе и возвращается в парогенератор. В установках с разомкнутым циклом теплая вода поверхностного слоя океана вскипает в испарительном участке с низким давлением, затем пар расширяется в турбине и конденсируется в контактном теплообменнике на холодной воде, забираемой с глубины порядка 1000 м.
Температурный перепад в зимний период между подледной водой и наружным воздухом составляет 20. 40°С. Этого достаточно, чтобы обеспечить работоспособность малых энергетических установок мощностью 1. 2 кВт.
Рис.1. Установка ИХМТТ для получения энергии (1. 2 кВт)
за счет перепада температур между проточной водой
подо льдом и наружным холодным воздухом:
1 - котел, 2 - турбина, 3 - генератор,
4 - циркулярный насос, 5 - конденсатор, 6 – вентилятор
Расчет термодинамического цикла
Мощность установки 1. 2 кВт;
Температура пара перед турбиной 0°С
Расчетная температура пара за турбиной 20. 40°С
Подогрев охлаждающего воздуха в конденсаторе 5 К
Результаты расчета приведены ниже.
Для мощности турбины равной 1,5 кВт имеем:
Расход пара на расчетном режиме 0,0729 кг/с;
Объемный расход пара 0,019 м 3 ;
Расход воздуха через конденсатор 7,419 кг/с;
Объемный расход воздуха 5,087 м 3 ;
В расчетном режиме КПД цикла составляет 7,1%
На рис.1 показана разработанная ИХМТТ и ИТ СО РАН компактная энергетическая установка для получения энергии мощностью 1. 2 кВт, реализующая температурный перепад между проточной водой подо льдом какого-либо водоема и холодным наружным воздухом с основными расчетными параметрами термодинамического цикла.
Установка реализует замкнутый цикл Ренкина и содержит следующие элементы (рис.1): котел - 1, турбина - 2, генератор - 3, циркуляционный насос для перекачки конденсата - 4, конденсатор - 5, вентилятор с электроприводом для подачи холодного воздуха в конденсатор - 6.
Конструкция содержит электронный блок, управляющий включением омической нагрузки при сбросе внешней нагрузки. Кроме того, предусмотрен преобразователь постоянного тока в переменный со стабилизированным напряжением 220 В, 50 Гц. При проектировании энергетической установки учитывались основные эксплуатационные принципы: автономность в работе, простота запуска и эксплуатации, достаточная мобильность, простота монтажа и демонтажа, хранения в летний период времени.
Дано: внутри Земли имеется горячее ядро, с его помощью нужно выработать электричество.
Вопрос: как это сделать?
Ответ: построить геотермальную электростанцию.
Разбираемся, как именно, откуда под землёй пар и много ли пользы от такой электростанции.
Самый старый и самый популярный на сегодняшний день метод получения электричества в промышленных масштабах — это вращение турбины генератора мощным потоком горячего пара от вскипевшей из-за принудительного разогрева воды. Если вдуматься, то и в угольной ТЭС, и в современной АЭС суть работы сводится к кипячению воды с той лишь разницей, что в ТЭС для этого сжигается уголь, а в реакторе АЭС её кипятят нагревающиеся в результате управляемой цепной реакции ТВЭЛы.
Но зачем греть воду, если в некоторых местах она поступает из-под земли уже горячей? Нельзя ли использовать её напрямую? Можно: в 1904 году итальянец Пьеро Джинори Конти запустил первый генератор, работавший от пара естественных геотермальных источников, в изобилии присутствующих в Италии. Так появилась первая в мире геотермальная электростанция, которая работает до сих пор.
Впрочем, чтобы обеспечить геотермальной электростанции приемлемые КПД и стоимость, нужна вода определённой температуры, находящаяся не глубже определённого уровня. Если вы захотите построить геотермальную электростанцию (скажем, на своём дачном участке), вам для начала придётся заняться бурением скважин до водоносных слоёв, где вода под огромным давлением разогревается до 150-200 °C и готова выйти на поверхность в виде перегретого кипятка или пара. Ну а далее, подобно электростанциям на ископаемом топливе, поступающий пар будет вращать турбину, которая приведёт в действие генератор, вырабатывающий электричество. Использовать естественное тепло планеты для получения пара — это и есть геотермальная энергетика. А теперь перейдём к деталям.
Немного о тепле Земли
Температура поверхности твёрдого ядра Земли на глубине около 5100 км равна примерно 6000 °C. При приближении к земной коре температура постепенно снижается.
Понятный график изменений температуры породы по мере продвижения к центру Земли. Источник: Wikimedia / Bkilli1
Так называемый геотермический градиент — изменение температуры на определенном участке земной толщи, — в среднем составляет 3 °C на каждые 100 метров. То есть в шахте на глубине 1 км будет стоять тридцатиградусная жара —кто бывал в такой шахте, это подтвердит. Но в зависимости от региона температурный градиент меняется — например, в Кольской сверхглубокой скважине на горизонте 12 км была зафиксирована температура 220 °C, а в некоторых местах планеты, у тектонических разломов и зонах вулканической активности, для достижения аналогичных температур достаточно пробурить от нескольких сотен метров до нескольких километров, обычно от 0,5 до 3 км. В американском штате Орегон геотермический градиент 150 °C на 1 км, а в Южной Африке всего 6 °C на 1 км. Отсюда вывод: где угодно хорошую геотермальную станцию не построишь (перед началом работ убедитесь, что ваш дачный участок находится в подходящем месте). Как правило, подходящие места те, где сильная геологическая активность — часто происходят землетрясения и имеются действующие вулканы.
Виды геотермальных электростанций
В зависимости от того, какой источник геотермальной энергии имеется в наличии (скажем, в вашем ДСК), вы будете выбирать тип электростанции. Разберёмся, какие они бывают.
Гидротермальная станция
Упрощенная схема гидротермальной электростанции прямого цикла будет понятна даже ребенку: из земли по трубе поднимается горячий пар, который раскручивает турбину генератора, а после устремляется в атмосферу. Всё действительно так просто, если нам повезло найти подходящий источник пара.
ГеоТЭС прямого цикла. Источник: Save On Energy
Если из имеющейся у вас в наличии скважины бьёт не пар, а пароводяные смеси с температурой выше 150 °C, то потребуется станция комбинированного цикла. Перед турбиной сепаратор будет отделять пар от воды — пар отправится в турбину, а горячая вода либо будет сброшена в скважину, либо перейдет в расширитель, где в условиях низкого давления отдаст дополнительный пар для турбины.
Если вашему дачному посёлку не повезло с горячими источниками — например, если температура воды из-под земли составляет меньше 100 °C на экономически приемлемой глубине, — а ГеоТЭС иметь очень хочется, то потребуется строить сложную бинарную геотермальную станцию, цикл которой был изобретен в СССР. В ней жидкость из скважины вообще не подается на турбину ни в каком виде. Вместо этого в теплообменнике она разогревает другую рабочую жидкость с меньшей температурой кипения, которая, превращаясь в пар, раскручивает турбину, конденсируется и вновь возвращается в теплообменную камеру. В роли таких рабочих жидкостей может выступать, например, фреон, один из видов которого (фтордихлорбромметан) кипит уже при 51,9 °C. Бинарный цикл можно сочетать с комбинированным, когда на одну турбину будет подаваться пар, а отделенная вода направится в другой контур для разогрева теплоносителя с низкой температурой кипения.
ГеоТЭС бинарного цикла. Источник: Save On Energy
Петротермальная станция
Разогретые подземные источники — весьма редкое явление в масштабах планеты, как вы, наверное, могли заметить, что резко ограничивает потенциальную область внедрения геотермальной энергетики, поэтому был разработан альтернативный подход: если в горячей глубине земной коры нет воды, значит, ее нужно туда закачать. Петротермальный принцип подразумевает закачку воды в глубокую скважину с разогретой породой, где жидкость превращается в пар и возвращается обратно на турбину электростанции.
Упрощенная схема петротермальной электростанции
Необходимо пробурить как минимум две скважины: в одну с поверхности будет подаваться вода, чтобы от тепла пород превратиться в пар и выйти через другую скважину. А далее процесс получения электроэнергии будет полностью аналогичен гидротермальной станции.
Естественно, соединить под землей на глубине нескольких километров две скважины нереально — вода между ними сообщается за счет разломов, образующихся в результате закачивания жидкости под огромным давлением (гидроразрыв). Чтобы расщелины и пустоты не закрылись со временем, к воде добавляют гранулы, например, песок.
В среднем одна скважина для петротермального процесса дает поток пароводяной смеси, достаточный для генерации 3-5 МВт энергии. Пока такие системы на промышленном уровне нигде не реализованы, но работы ведутся, в частности, в Японии и Австралии.
Преимущества геотермальной энергетики
Из сказанного выше следует, что использование тепла Земли для получения электричества в промышленных масштабах, предприятие недешёвое. Но весьма выгодное по ряду причин.
Неисчерпаемость. Электростанции на ископаемом топливе — природном газе, угле, мазуте — сильно зависят от поставок этого самого топлива. Причем опасность заключается не только в прекращении поставок из-за бедствий или изменения политической ситуации, но и в незапланированном скачкообразном росте цен на сырье. В начале 1970-х годов из-за политической турбулентности на Ближнем Востоке разразился топливный кризис, который привел к росту цен на нефть в четыре раза. Кризис дал новый толчок развитию электротранспорта и альтернативных видов энергетики. Одним из плюсов использования земного тепла является его практическая неисчерпаемость (в результате действий человека, по крайней мере). Ежегодный тепловой поток Земли к поверхности составляет порядка 400 000 ТВт·ч в год, что в 17 раз больше, чем за тот же период вырабатывают все электростанции планеты. Температура ядра Земли составляет 6000 °C, а скорость остывания оценивается в 300-500 °C за 1 млрд лет. Не стоит беспокоиться о том, что человечество способно ускорить этот процесс бурением скважин и закачкой туда воды — падение температуры ядра на 1 градус высвобождает 2·1020 кВт·ч энергии, что в миллионы раз больше ежегодного потребления электроэнергии всем человечеством.
Стабильность. Ветряные и солнечные электростанции крайне чувствительны к погоде и времени дня. Нет солнечного света — нет выработки, станция отдает запас из аккумуляторов. Ослаб ветер — вновь нет выработки, опять в дело вступают батареи с отнюдь не бесконечной емкостью. При соблюдении техпроцессов по обратной отдаче воды в скважину гидротермальная электростанция будет беспрерывно функционировать в режиме 24/7.
Компактность и удобство для сложных районов. Электроснабжение отдаленных областей с изолированной инфраструктурой — задача непростая. Она осложняется еще больше, если район имеет плохую транспортную доступность, а рельеф не походит для строительства традиционных электростанций. Одним из важных плюсов геотермальных электростанций стала их компактность: так как теплоноситель берётся в буквальном смысле из земли, на поверхности строится машинный зал с турбиной и генератором и градирня, которые вместе занимают очень мало места.
Геотермальная станция с выработкой 1 ГВт·ч/год займет площадь 400 м2 — даже в гористой местности геотермальной электростанции потребуется очень небольшой участок и автомобильная дорога. Для солнечной станции с такой же выработкой потребуется 3240 м2, для ветряной — 1340 м2.
Экологичность. Само по себе функционирование геотермальной станции практически безвредно: её выброс углекислого газа в атмосферу оценивается в 45 кг CO2 на 1 кВт·ч выработанной энергии. Для сравнения: у угольных станций на тот же киловатт-час приходится 1000 кг CO2, у нефтяных — 840 кг, газовых — 469 кг. Впрочем, на атомные станции приходится всего 16 кг — уж чего-чего, а углекислого газа они производят минимум.
Возможность параллельной добычи полезных ископаемых. Удивительно, но факт: на некоторых энергоблоках ГеоТЭС, помимо электроэнергии, добывают газы и металлы, растворенные в поступающей из-под земли пароводяной смеси. Их можно было бы просто пустить вместе с отработанным конденсированным паром обратно в скважину, но, учитывая, какие объемы полезных элементов проходят через геотермальную электростанцию, разумнее наладить их добычу. В некоторых районах Италии пар из скважин содержит 150-700 мг борной кислоты на каждый килограмм пара. Одна из местных гидротермических электростанций на 4 МВт расходует 20 кг пара в секунду, поэтому добыча борной кислоты там поставлена на промышленную основу.
Недостатки геотермальной энергетики
Рабочая жидкость опасна. Как было отмечено выше, ГеоТЭС не вырабатывают дополнительных токсичных выбросов, лишь только небольшой объем углекислого газа, на порядок меньший, чем у газовых ТЭС. Что, впрочем, не значит, что подземные воды и пар — это всегда чистые субстанции, сродни минеральной питьевой воде. Пароводяная смесь из земных глубин насыщена газами и тяжелыми металлами, которые свойственны конкретному участку земной коры: свинец, кадмий, мышьяк, цинк, сера, бор, аммиак, фенол и так далее. В некоторых случаях по трубам к ГеоТЭС течёт такой впечатляющий коктейль, что его сброс в атмосферу или водоемы немедленно вызовет локальную экологическую катастрофу.
Результат воздействия геотермальной воды на металлы.
При соблюдении всех требований безопасности пар, отправляемый в атмосферу, тщательно фильтруется от металлов и газов, а конденсат закачивается обратно в скважину. Но в случае нештатных ситуаций или намеренного нарушения технического регламента геотермальная станция может нанести окружающей среде некоторый урон.
Высокая стоимость за киловатт. Несмотря на относительную простоту конструкции ГеоТЭС, первичные вложения в их строительство немалые. Много средств уходит на геологоразведку и анализ, в результате чего себестоимость геотермальных станций колеблется на уровне $2800/кВт установленной мощности. Для сравнения: ТЭС — $1000/кВт, ветряки — $1600/кВт, солнечная электростанция — $1800-2000/кВт, АЭС — около $6000/кВт. Причём для ГеоТЭС приведена усреднённая стоимость, которая может сильно варьироваться в зависимости от страны, рельефа, химического состава пара и глубины бурения.
Относительно низкая мощность. ГеоТЭС в принципе пока не могут сравниться по выработке электроэнергии с ГЭС, АЭС и ТЭС. Даже при бурении большого количества скважин поток пара все равно будет невелик, а произведённого электричества хватит лишь для небольших населённых пунктов.
Самый мощный на 2019 год геотермальный энергокомплекс The Geysers раскинулся на площади 78 км2 в Калифорнии, США. Он состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощность 1517 МВт (реальная выработка 955 МВт), которые покрывают до 60% энергопотребностей северного побережья штата. Мощность всего The Geysers сопоставима с советским реактором РБМК-1500, когда-то работавшем на Игналинской АЭС, где их было два, а сама АЭС располагалась на площади 0,75 км2. ГеоТЭС с выработкой 200-300 МВт считаются очень мощными, большинство же станций по миру оперируют двузначными числами.
Гидротермальная комбинированная станция комплекса The Geysers в Калифорнии. И таких там 22. Источник: Wikimedia / Stepheng3
Где всё это работает и насколько это перспективно
По состоянию на 2018 год во всем мире геотермальные электростанции вырабатывают более 14,3 ГВт энергии, тогда как в 2007 году производили всего 9,7 ГВт. Да, не геотермальная революция, но рост налицо.
Лидером по геотермальной выработке является США со своими 3591 МВт. Впечатляющее значение, которое, однако, составляет всего 0,3% от общей выработки страны. Далее идет Индонезия с 1948 МВт и 3,7%. А вот на третьем месте начинается интересное: на Филиппинах геотермальные электростанции имеют установленную мощность 1868 МВт, при этом на них приходится 27% электричества страны. А в Кении — и вовсе 51%! Япония также входит в десятку лидеров по количеству киловатт, выработанных ГеоТЭС.
ГеоТЭС Olkaria IV в Кении. Olkaria V и Olkaria VI планируют ввести в строй в 2021 году. Источник: Toshiba
ГеоТЭС активно строят также в Уганде, Танзании, Эфиопии и Джибути.
В России развитие геотермальной энергетики идет очень неторопливыми темпами, так как в строительстве дополнительных электростанций нет особой необходимости. В 2015 году на долю таких станций приходилось всего 82 МВт.
Паужетская геотермальная станция, построенная на Камчатке в 1966 году, была первой в СССР. Ее изначальная установленная мощность составляла всего 5 МВт, сейчас она доведена до 12 МВт. Вслед за ней появилась Паратунская станция с мощностью всего 600 кВт — первая бинарная ГеоТЭС в мире.
Сейчас в России действуют только четыре станции, три из них питают Камчатку, ещё одна, Менделеевская ГеоТЭС на 3,6 МВт, снабжает остров Кунашир Курильской гряды.
На нашей планете есть немало способов добычи электроэнергии без помощи ископаемого топлива. Какие-то из них, например, солнечная и ветряная энергия, успешно используются уже сейчас. Какие-то, вроде водородных топливных ячеек, пока пребывают на начальной стадии адаптации. Геотермальная энергетика — это наш задел на будущее, раскрыть потенциал которого в полной мере нам еще только предстоит.
Читайте также: