SEED Science


Глобальное изменение климата и энергии
Альтернативные источники энергии: геотермальные станции

Геотермальная энергия

Фото является собственностью DOE/NREL, Джоэль Реннер, NEEL, фотограф

Геотермальная электростанция Стимбоат спрингс (Невада)

Когда грунтовые воды контактируют с раскаленной породой под землей, нагретая вода поднимается на поверхность и образует геотермальные источники. Горячая вода может выбрасываться из-под земли в виде фонтана — гейзера. Вода может вырываться из небольших разломов в виде пара. Или может выходить в виде небольших пузырьков в горячем источнике.

Термальные источники веками использовались для приготовления пищи и купания. Этот вид энергии — геотермальный, исходит из-под земли. С конца XIX века люди искали способы использовать эту энергию для обогрева домов и получения электричества. За последние несколько десятилетий варианты использования энергии существенно усовершенствовались.

Геотермальная энергия — это надежный и возобновляемый источник элетричества и тепла. Этот источник, в отличие от солнца или ветра, доступен всегда. Источник возобновляемый: осадки возвращают охлажденную воду на место горчячей, которая выходит на поверхность. Хотя геотермальная энергия не полностью решает проблему выбросов CO2. Насосы, поднимающие воду на поверхность, — электрические. Но геотермальная система значительно снижает использование ископаемого топлива.

Что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия идет из самого сердца нашей планеты. Конечно, не напрямую. Расплавленное ядро Земли содержит много энергии в виде тепла. Тепло двигается внутри Земли по направлению к поверхности. На своем пути тепло расплавляет породу: образуется магма. Если магма попадает на поверхность, она становится лавой и образуется вулкан.

В некоторых местах магма поднимается очень близко к поверхности земли, в частности, это происходит на границах тектонических плит или в отдельных горячих точках. В этих местах магма обнаруживается на глубине всего в несколько километров и менее. Порода над магмой очень сильно нагревается. Если грунтовые или дождевые воды попадают в эту породу, то вода также нагревается. Температура воды под давлением достигает 275 градусов Цельсия. Грунтовые воды, достигая поверхности, прерващаются в горячие источники и гейзеры.

Теперь мы знаем об источнике геотермальной энергии, но как с его помощью получить тепло или электричество? Существует два способа: прямой геотермальный нагрев и использование геотермальных станций.

Прямой геотермальный нагрев

При прямом геотермальном нагревании горячая вода из источников (нагретые грунтовые воды) используется для обогрева домов и предприятий, а также в снегоплавильных установках, парниках и на рыбных фермах. Лучше всего для этих целей подходят источники горячей воды с температурой от 10 до 149 градусов Цельсия. В 2005 году 72 страны сообщили о прямом использовании геотермальной энергии, обеспечивая при этом потребление более 16000 мегаватт. Страны, которые используют геотермальное нагревание напрямую: Франция, Германия, Исландия, США и Китай.

Термальные источники давно привлекают людей как место рекреации, приготовления пищи и купания. Северо-американские индейцы оставили следы своего пребывания на термальных источниках. В Японии веками грелись в термальных водах. Древние римляне строили бани, обогреваемые природными термальными источниками. Считалось, что термальная вода благоприятно влияет на здоровье. Современные спа-методики построены на древних познаниях о целебных свойствах термальной воды.

Первое упоминание прямого использования тепла природных источников принадлежит Помпеям (Италия), здесь вода из горячих источников отапливала несколько зданий. В XIV веке во французской деревне поступали так же. Когда была заселена Исландия, многочисленные горячие источники этой страны использовались для купания и стирки. Идея использовать источники появилась в 1755-56 гг., когда были пробурены первые термальные скважины. Однако из этих скважин ничего не появилось. Первая попытка масштабного использования геотермальной энергии в Исландии датируется 1928 годом. Пробурены новые термальные скважины, и в 1930 г. местная школа стала первым зданием, обогреваемым с помощью горячих источников. Сегодня прямое геотермальное нагревание используется для отопления большинства домов Исландии.

Первая современная система геотермального отопления появилась в США, в западном городе Боиз (шт. Айдахо). Бурение геотермальных скважин началось в 1890 г. К 1892 г. в Бойзе дома уже отапливались с помощью природных источников.

Существует два типа систем, использующих термальную воду для обогрева зданий. В системе, которая появилась первой, насосы выкачивают горячую воду из геотермального месторождения и направляют прямо в систему отопления. Большинство этой воды после охлаждения возвращается в подземное водохранилище. В современных системах горячая вода попадает в теплообменник, содержащий жидкость, поглощает тепло из воды. Нагревающаяся жидкость, в качестве которой может использоваться вода, по отдельному замкнутому контуру системы отопления проходит через здания. В системе, использующей теплообменник, термальная вода и нагреваемая жидкость разделяются. Делается это потому, что грунтовые воды могут содержать растворенные соли и минералы, которые могут засорить систему отопления. Выкачиваемая из недр земли вода возвращается под землю, чтобы не истощать месторождение.

Система прямого нагрева

Геотермальная система прямого нагрева оказывает минимальное влияние на окружающую среду. В системах раннего поколения нагретая вода возвращалась под землю, чтобы сохранить месторождение. В новых системах горячая вода достигает теплообменника и тут же возвращается под землю. Системы прямого нагрева зависят от выкачиваемой воды, при этом насосы работают благодаря ископаемому топливу. Таким образом, геотермальные системы прямого нагрева косвенно увеличивают выбросы CO2. Однако такие системы существенно уменьшают количество ископаемого топлива, используемого для работы отопительных сетей.

Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции находятся на этапе мощного развития. По данным исследования 2005 года, проведенного итальянской электросетевой компанией ENEL, геотермальные электростанции производят 8900 мегаватт электричества в 24 странах мира. При этом в США производится большая часть (32%) такого вида энергии.
Первая геотермальная электростанция появилась в Лардерелло (Италия) в 1904 году. Команда ученых под руководсвом принца Пьеро Гинори Конти разработала способ использования пара из местных источников для вращения турбин генератора. Эта электростанция работает и по сей день. В 1950 г. правительство Новой Зеландии начало изучение возможности использования геотермальных источников Ваиракеи для получения электричества. На Ваиракеи находятся гейзеры, горячие источники и грязевые бассейны. В 1958 году открылась геотермальная электростанция Ваиракеи, вторая в мире. Крупнейшая геотермальная электростанция называется Гейзеры, находится она близ города Санта-Роза в штате Калифорния. Эта станция открылась в 1960 году. Хотя самих гейзеров на станции нет, в регионе есть много паровых скважин. Гейзеры производят около 750 мегаватт электричества — этого достаточно для электроснабжения такого города, как Сан-Франциско.

Паровая электростанция прямого нагрева

Схема паровой электростанции прямого нагрева

Импульсная паровая электросатнция

Схема импульсной паровой электросатнции

Электростанция двойного цикла

Схема электростанции двойного цикла

Изображение является собственностью Департамента энергетики США

С 2000 года объем получаемой геотермальной энергии во Франции, России и Кении утроился. В таких странах, как Филиппины, Исландия, Сальвадор из геотермальных источников получают 25% электричества, в Тибете - 30%.

В основе геотермальной электростанции лежит один из трех процессов. Электростанции прямого парового нагрева или нагрева сухим паром строятся в районах, где основной источник геотермальной активности - паровые скважины. Сжатый пар из скважины попадает по трубам к турбинам. Турбина состоит из серии наклонных лопастей, установленных на центральном вале. Сжатый пар, проходя через турбину, вращает ее. Вращающаяся турбина включает генератор. Вода охлаждается и поступает обратно в землю. Лардерелло и Гейзеры работают именно так.

На испульсной паровой электростанции для получения пара используется вода при температуре выше 180 градусов Цельсия. С помощью особой техники с большой глубины поступает горячая вода под высоким давлением и распрыскивается в емкости с низким давлением. Вода мгновенно превращается в пар. Пар, находящийся под высоким давлением, вращает турбины генератора, вырыбатывающего электричество. Вода охлаждается и поступает обратно под землю.

На электростанциях двойного цикла используется средняя по температуре термальная вода, нагретая от 107 до 182 градусов. Термальная вода поступает в теплообменник, по которому течет жидкость, имеющая точку кипения ниже, чем у воды. Тепло превращает жидкость в пар, вращающий турбины. Термальная вода не входит в контакт с турбинами, из теплообменника она попадает обратно под землю. Большая часть геотермальных ресурсов имеет среднюю температуру, поэтому в будущем планируется постройка, в основном, электростанций двойного цикла.

Геотермальный насос

Как мы знаем, температура на поверхности Земли существенно различается в зависимости от местоположения, высоты над уровнем моря, времени года и текушей погоды. Под землей все происходит иначе. На глубине от 30,5 до 122 метров температура стабилизируется в диапазоне от 7 до 21 градуса, в зависимости от широты. Геотермальный насос поднимает это тепло на поверхность. Тепло можно использовать для обогрева зданий в непогоду. Система может работать и в обратном режиме: тепло из дома может охлаждаться под землей. Часть тепла в жару может быть использована для подогрева воды.

Этой идее уже много лет. В 1852 году над идеей использования насосов для получения тепла работал британский физик-математик лорд Кельвин, все остановилось на уровне идеи. Первая современная геотермальная система была установлена в одном из домов Индианаполиса (штат Индиана) в 1945 году. Интерес к этой технологии отопления оставался низким до тех пор, пока в 1970 не поднялись цены на нефть. К этому времени интерес к таким системам появился и в Европе. Геотермальные насосы сейчас используются, в основном, в Северной Америке и Европе.

В большинстве геотермальных систем используется система закрытой петли. Серия труб установлена под землей. Трубы могут быть прямыми и изогнутыми, горизонтальными и вертикальными, они могут находиться в почве, в подземных водах или под близлежащим прудом. Теплообменая жидкость наполняет трубы. Жидкость поглощает подземное тепло и переносит его в здание. Внутри здания находится теплообменник, который поглощает тепло и переносит его в систему компрессии. Сжатая теплопроводящая жидкость циркулирует в системе отопления здания. Тепло также можно использовать для нагрева воды.

Закрытая кольцевая система Закрытая кольцевая система
Закрытая кольцевая система Закрытая кольцевая система

Изображение является собственностью Департамента энергетики США

Другой тип геотермальной системы - открытая кольцевая. В этой системе термальная вода используется в качестве теплопроводящей жидкости. Пробуриваются две скважины: одна для подъема теплой воды, а вторая - для возвращения после того, как вода остынет. Для работы системы необходим доступный природный источник очень чистой термальной воды.

Внутренняя система теплообмена и насос работают на электричестве, поэтому геотермальная система не полностью заменяет ископаемое топливо. Однако такая система делает отопление более экологичным, снижает потребление нефти, природного газа или электроэнергии для обогрева.

Проблемы

Геотермальные электростанции поднимают вопросы о геотермальной энергии. Один из таких вопросов - провалы земли при изначальном заборе воды или пара. Это может быть серьезной проблемой. На Ваиракеи после начала работы станции земля опустилась на 13 м. Эта проблема на Ваиракеи существует до сих пор. На новых станциях вода быстро возвращается, чтобы сохранять давление и уровень подземных вод.

На геотермальных электростанциях двойного цикла эмиссии каких-либо газов не происходит. Однако паровые электростанции выбрасывают небольшое количество CO2, объем выбросов зависит от состава воды. Выбрасывается также небольшое количество сульфида водорода, недостаточное для образования кислотного дождя. Так как подземные воды содержат растворенную серу, то работа станции сопровождается неприятным для нас запахом. В США геотермальные электростанции должны отфильтровывать сульфид водорода в выбросах, сжигая его или преобразуя в диоксид серы. Диоксид серы впоследствии можно растворить или превратить в серную кислоту и продать. Соли и минералы, отфильтровываемые из воды, закачиваются обратно в скважину. Часть отходов перерабатывается в плане получения полезных минералов.

По течению

Исследователи работают над использованием тепла Земли, пробуривая скважины в теплые слои земной коры, близкие к мантии. Однако эти идеи требуют бурения намного более глубоких скважин, чем позволяют существующие технические возможности.


Looking for more information?