Геотермальная энергия — это электроэнергия, вырабатываемая из геотермальной энергии . Используемые технологии включают электростанции с сухим паром, электростанции с мгновенным паром и электростанции с бинарным циклом . Геотермальное производство электроэнергии в настоящее время используется в 26 странах, [1] [2] , а геотермальное отопление используется в 70 странах. [3]
По состоянию на 2019 год мировая мощность геотермальной энергии составляет 15,4 гигаватт (ГВт), из которых 23,9% (3,68 ГВт) установлены в США . [4] Международные рынки росли в среднем на 5 процентов в течение трех лет до 2015 года, а глобальная мощность геотермальной энергии, как ожидается, достигнет 14,5–17,6 ГВт к 2020 году. [5] На основе современных геологических знаний и технологий геотермальная энергия Ассоциация (GEA) публично сообщает, что, по оценкам GEA, на данный момент использовано только 6,9% общего глобального потенциала, в то время как IPCC сообщила , что потенциал геотермальной энергии находится в диапазоне от 35 ГВт до 2 ТВт . [3] Страны, производящие более 15 процентов своей электроэнергии из геотермальных источников, включают Сальвадор , Кению , Филиппины , Исландию , Новую Зеландию , [6] и Коста-Рику . По оценкам , Индонезия обладает крупнейшим в мире потенциалом геотермальных энергетических ресурсов в 29 ГВт; в 2017 году ее установленная мощность составила 1,8 ГВт.
Геотермальная энергия считается устойчивым возобновляемым источником энергии , поскольку отбор тепла невелик по сравнению с теплосодержанием Земли . [7] Выбросы парниковых газов геотермальных электростанций составляют в среднем 45 граммов углекислого газа на киловатт-час электроэнергии, или менее 5% от выбросов обычных угольных электростанций. [8]
Как источник возобновляемой энергии для производства электроэнергии и отопления, геотермальная энергия потенциально может удовлетворить от 3 до 5% мирового спроса к 2050 году. По оценкам, при наличии экономических стимулов к 2100 году можно будет удовлетворить 10% мирового спроса с помощью геотермальная энергия. [6]
В 20 веке спрос на электроэнергию привел к рассмотрению геотермальной энергии в качестве источника генерации. Принц Пьеро Джинори Конти испытал первый геотермальный генератор 4 июля 1904 года в Лардерелло, Италия . Он успешно зажёг четыре лампочки. [9] Позже, в 1911 году, там была построена первая в мире коммерческая геотермальная электростанция. Экспериментальные генераторы были построены в Беппу, Япония, и Гейзерс, 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 . Вайракей была первой станцией, использовавшей технологию мгновенного пара. [11] За последние 60 лет чистая добыча жидкости превысила 2,5 км 3 . Проседание Вайракей-Таухары было предметом обсуждения на ряде официальных слушаний, касающихся экологических соглашений о расширенном развитии системы как источника возобновляемой энергии. [6]
В 1960 году компания Pacific Gas and Electric начала эксплуатацию первой успешной геотермальной электростанции в США в Гейзерс в Калифорнии. [12] Оригинальная турбина прослужила более 30 лет и произвела полезную мощность 11 МВт . [13]
Электростанция с бинарным циклом была впервые продемонстрирована в 1967 году в Советском Союзе , а затем представлена в Соединенных Штатах в 1981 году [12] после энергетического кризиса 1970-х годов и значительных изменений в политике регулирования. Эта технология позволяет использовать ресурсы с гораздо более низкой температурой, чем те, которые можно было восстановить ранее. В 2006 году в Чена-Хот-Спрингс на Аляске была введена в эксплуатацию станция бинарного цикла , производящая электроэнергию при рекордно низкой температуре жидкости 57 °C (135 °F). [14]
Геотермальные электростанции до недавнего времени строились исключительно там, где высокотемпературные геотермальные ресурсы доступны вблизи поверхности. Развитие электростанций с бинарным циклом и совершенствование технологий бурения и добычи могут позволить усовершенствовать геотермальные системы в гораздо большем географическом диапазоне. [15] Демонстрационные проекты действуют в Ландау-Пфальце , Германия, и Сульц-су-Форе , Франция, в то время как более ранний проект в Базеле , Швейцария, был остановлен из-за того, что он спровоцировал землетрясение. Другие демонстрационные проекты находятся в стадии строительства в Австралии , Великобритании и Соединенных Штатах Америки . [16]
Термический КПД геотермальных электростанций низкий, около 7–10% [17] , поскольку геотермальные жидкости имеют более низкую температуру по сравнению с паром из котлов. По законам термодинамики эта низкая температура ограничивает эффективность тепловых двигателей в извлечении полезной энергии при выработке электроэнергии. Выхлопное тепло тратится впустую, если только оно не может быть использовано напрямую и локально, например, в теплицах, лесозаводах или централизованном теплоснабжении. Эффективность системы не влияет на эксплуатационные расходы, как это было бы в случае электростанции, работающей на угле или другом ископаемом топливе, но она влияет на жизнеспособность станции. Чтобы производить больше энергии, чем потребляют насосы, для производства электроэнергии требуются высокотемпературные геотермальные поля и специализированные тепловые циклы. [ нужна цитата ] Поскольку геотермальная энергия не зависит от переменных источников энергии, в отличие, например, от ветра или солнца, ее коэффициент мощности может быть довольно большим – было продемонстрировано до 96%. [18] Однако, по данным IPCC , в 2008 году средний глобальный коэффициент мощности составил 74,5% . [19]
Теплосодержание Земли составляет около 1 × 10 19 ТДж (2,8 × 10 15 ТВтч) . [3] Это тепло естественным образом поступает на поверхность за счет проводимости со скоростью 44,2 ТВт [20] и восполняется за счет радиоактивного распада со скоростью 30 ТВт. [7] Эти мощности более чем вдвое превышают нынешнее потребление энергии человечеством из первичных источников, но большая часть этой энергии слишком рассеяна ( в среднем примерно 0,1 Вт/м 2 ), чтобы ее можно было восстановить. Земная кора эффективно действует как толстый изолирующий слой, который должен быть пронизан жидкостными каналами ( магмы , воды и т. д.), чтобы высвободить тепло под ним.
Для производства электроэнергии требуются высокотемпературные ресурсы, которые можно получить только глубоко под землей. Тепло должно переноситься на поверхность посредством циркуляции жидкости, либо через магматические каналы , горячие источники , гидротермальную циркуляцию , нефтяные скважины , пробуренные водяные скважины или их комбинацию. Эта циркуляция иногда существует естественным образом там, где кора тонкая: магматические каналы доставляют тепло близко к поверхности, а горячие источники доставляют тепло на поверхность. Если горячего источника нет, необходимо пробурить скважину до горячего водоносного горизонта . Вдали от границ тектонических плит геотермический градиент составляет 25–30 ° C на километр (км) глубины в большей части мира, поэтому скважины должны иметь глубину в несколько километров, чтобы обеспечить выработку электроэнергии. [3] Количество и качество извлекаемых ресурсов улучшаются с увеличением глубины бурения и близости к границам тектонических плит.
В горячих, но сухих грунтах или там, где давление воды недостаточно, закачивание жидкости может стимулировать продуктивность. Разработчики пробурили две скважины на предполагаемом участке и разрушили породу между ними с помощью взрывчатки или воды под высоким давлением . Затем они закачивают воду или сжиженный углекислый газ в одну скважину, и они поднимаются в другую скважину в виде газа. [15] Этот подход называется геотермальной энергией горячих сухих пород в Европе или улучшенными геотермальными системами в Северной Америке. Этот подход может обеспечить гораздо больший потенциал, чем традиционный подход к использованию природных водоносных горизонтов. [15]
Оценки электроэнергетического потенциала геотермальной энергетики варьируются от 35 до 2000 ГВт в зависимости от масштаба инвестиций. [3] Сюда не входит неэлектрическое тепло, рекуперируемое путем когенерации, геотермальных тепловых насосов и других видов прямого использования. В отчете Массачусетского технологического института (MIT) за 2006 год, в котором упоминался потенциал усовершенствованных геотермальных систем, подсчитано, что инвестиции в 1 миллиард долларов США в исследования и разработки в течение 15 лет позволят создать к 2050 году в Соединенных Штатах 100 ГВт электрогенерирующих мощностей. один. [15] В отчете MIT подсчитано, что можно будет извлечь более 200 × 10 9 ТДж (200 ЗДж; 5,6 × 10 7 ТВтч) с возможностью увеличения до более чем 2000 ЗДж при усовершенствовании технологий, что достаточно для обеспечения всей нынешней мировой энергии. потребности в течение нескольких тысячелетий . [15]
В настоящее время геотермальные скважины редко имеют глубину более 3 км (1,9 мили). [3] 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). [21] Скважины, пробуренные на глубину более 4 км (2,5 мили), обычно требуют затрат на бурение в десятки миллионов долларов. [22] Технологические проблемы заключаются в бурении широких скважин с низкими затратами и разрушении больших объемов породы.
Геотермальная энергия считается устойчивой, поскольку отвод тепла невелик по сравнению с теплосодержанием Земли, но отбор все равно необходимо контролировать, чтобы избежать локального истощения. [7] Хотя геотермальные объекты способны обеспечивать теплом в течение многих десятилетий, отдельные колодцы могут остывать или заканчиваться водой. На трех старейших месторождениях — Лардерелло, Вайракей и Гейзерс — снизилась добыча по сравнению с пиковыми значениями. Неясно, добывали ли эти станции энергию быстрее, чем она пополнялась с больших глубин, или снабжающие их водоносные горизонты истощаются. Если добыча снизится и будет повторно закачена вода, эти скважины теоретически смогут полностью восстановить свой потенциал. Такие стратегии смягчения последствий уже реализованы на некоторых объектах. Долгосрочная устойчивость геотермальной энергии была продемонстрирована на месторождении Лардерелло в Италии с 1913 года, на месторождении Вайракей в Новой Зеландии с 1958 года [23] и на месторождении Гейзерс в Калифорнии с 1960 года [24].
Геотермальные электростанции похожи на другие тепловые электростанции с паровыми турбинами в том, что тепло источника топлива (в случае геотермальной энергии - ядра Земли) используется для нагрева воды или другого рабочего тела . Затем рабочая жидкость используется для вращения турбины генератора, производя тем самым электричество. Затем жидкость охлаждается и возвращается к источнику тепла.
Станции сухого пара – самая простая и старая конструкция. Электростанций такого типа немного, поскольку для них требуется ресурс, производящий сухой пар , но они наиболее эффективны, с простейшим оборудованием. [25] На этих участках в резервуаре может присутствовать жидкая вода, но на поверхность выделяется только пар, а не вода. [25] В энергетике сухого пара напрямую используется геотермальный пар с температурой 150 °C или выше для вращения турбин. [3] Когда турбина вращается, она приводит в действие генератор, который производит электричество и увеличивает энергетическое поле. [26] Затем пар подается в конденсатор, где он снова превращается в жидкость, которая затем охлаждает воду. [27] После охлаждения вода стекает по трубе, по которой конденсат возвращается в глубокие скважины, где его можно повторно нагреть и добыть снова. В Гейзерах в Калифорнии после первых 30 лет производства электроэнергии запасы пара истощились, и выработка существенно сократилась. Чтобы частично восстановить прежнюю мощность, в 1990-е и 2000-е годы была разработана дополнительная закачка воды, включая использование сточных вод близлежащих городских очистных сооружений. [28]
Паровые станции мгновенного испарения закачивают горячую воду под высоким давлением из глубины в резервуары с более низким давлением и используют полученный испарившийся пар для привода турбин. Для них требуется температура жидкости не менее 180 °C, обычно выше. Это наиболее распространенный тип станций, действующих сегодня. [ нужна цитата ] Паровые электростанции мгновенного действия используют геотермальные резервуары с водой с температурой более 360 ° F (182 ° C). Горячая вода течет вверх через колодцы в земле под собственным давлением. По мере движения вверх давление снижается, 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 быть закачаны обратно в резервуар, что делает его потенциально устойчивым ресурсом. [29] [30]
Электростанции с бинарным циклом являются новейшей разработкой и могут работать при температуре жидкости до 57 °C. [14] Умеренно горячая геотермальная вода проходит через вторичную жидкость с гораздо более низкой температурой кипения, чем у воды. Это приводит к мгновенному испарению вторичной жидкости, которая затем приводит в движение турбины. Это наиболее распространенный тип геотермальных электростанций, строящихся сегодня. [31] Используются как органические циклы Ренкина , так и Калины. Тепловой КПД станций этого типа обычно составляет около 10–13%. [32] Электростанции бинарного цикла имеют среднюю единичную мощность 6,3 МВт, 30,4 МВт на электростанциях с одинарной вспышкой, 37,4 МВт на электростанциях с двойной вспышкой и 45,4 МВт на электростанциях, работающих на перегретом паре. [33]
Международное агентство по возобновляемым источникам энергии сообщило, что в конце 2020 года во всем мире было подключено 14 438 мегаватт (МВт) геотермальной энергии, что позволило произвести 94 949 ГВтч электроэнергии. [35] Теоретически мировых геотермальных ресурсов достаточно, чтобы снабжать людей энергией. Однако в настоящее время лишь малая часть мировых геотермальных ресурсов может быть разведана на прибыльной основе. [36]
В 2021 году Соединенные Штаты лидировали в мире по производству геотермальной электроэнергии с установленной мощностью 3889 МВт, что значительно больше, чем в 2020 году, когда они производили 2587 МВт. Индонезия следует за США и занимает второе место в мире по производству геотермальной энергии с 2277 МВт мощности в 2021 году.
Эл Гор заявил на саммите Азиатско-Тихоокеанского региона по климатическому проекту, что Индонезия может стать сверхдержавой в производстве электроэнергии из геотермальной энергии. [37] В 2013 году государственный электроэнергетический сектор Индии объявил о плане строительства первой в стране геотермальной электростанции в не имеющем выхода к морю штате Чхаттисгарх . [38]
Геотермальная энергетика в Канаде имеет высокий потенциал благодаря ее положению на Тихоокеанском огненном кольце . Регионом с наибольшим потенциалом являются Канадские Кордильеры , простирающиеся от Британской Колумбии до Юкона , где оценки генерирующей мощности варьируются от 1550 МВт до 5000 МВт. [39]
География Японии уникально подходит для производства геотермальной энергии. В Японии есть множество горячих источников , которые могли бы обеспечить топливо для геотермальных электростанций, но потребуются масштабные инвестиции в инфраструктуру Японии. [40]
Самая большая группа геотермальных электростанций в мире расположена на геотермальном месторождении Гейзерс в Калифорнии , США . [42] По состоянию на 2021 год пять стран ( Кения , Исландия , Сальвадор , Новая Зеландия и Никарагуа) производят более 15% своей электроэнергии из геотермальных источников. [41]
В следующей таблице приведены эти данные для каждой страны:
Данные за 2021 год. Источники: EIA . [41] Включает только страны с выработкой более 0,01 ТВтч. Ссылки для каждого местоположения ведут на соответствующую страницу геотермальной энергии, если она доступна.
Существующие геотермальные электростанции, попадающие в 50-й процентиль всех исследований выбросов за весь жизненный цикл, рассмотренных МГЭИК , производят в среднем 45 кг CO .
2эквивалентные выбросы на мегаватт-час произведенной электроэнергии (кг CO
2экв/ МВт·ч ). Для сравнения, угольная электростанция выбрасывает в атмосферу 1001 кг CO.
2эквивалент на мегаватт-час, если он не связан с улавливанием и хранением углерода (CCS). [8] Поскольку многие геотермальные проекты расположены в вулканически активных районах, которые естественным образом выделяют парниковые газы, предполагается, что геотермальные установки могут фактически снизить скорость дегазации за счет снижения давления на подземные резервуары. [43]
Станции, на которых наблюдается высокий уровень кислот и летучих химикатов, обычно оснащены системами контроля выбросов для уменьшения выбросов. Геотермальные станции также могут закачивать эти газы обратно в землю в качестве формы улавливания и хранения углерода, как, например, в Новой Зеландии [43] и в проекте CarbFix в Исландии.
Другие станции, такие как геотермальная электростанция Кызылдере , демонстрируют способность использовать геотермальные жидкости для переработки углекислого газа в сухой лед на двух близлежащих станциях, что оказывает очень незначительное воздействие на окружающую среду. [44]
Помимо растворенных газов, горячая вода из геотермальных источников может содержать в растворе следовые количества токсичных химикатов, таких как ртуть , мышьяк , бор , сурьма и соль. [45] Эти химические вещества выходят из раствора при охлаждении воды и в случае их выброса могут нанести ущерб окружающей среде. Современная практика закачки геотермальных жидкостей обратно в Землю для стимулирования добычи имеет побочное преимущество, заключающееся в снижении экологического риска.
Строительство станции может отрицательно повлиять на стабильность суши. Проседание произошло на месторождении Вайракей в Новой Зеландии. [46] Усовершенствованные геотермальные системы могут вызывать землетрясения из-за закачки воды. Проект в Базеле , Швейцария , был приостановлен, поскольку за первые 6 дней закачки воды произошло более 10 000 сейсмических событий силой до 3,4 балла по шкале Рихтера . [47] Риск геотермального бурения, ведущего к подъему , был испытан в Штауфен-им-Брайсгау .
Геотермальная энергия требует минимальных требований к земле и пресной воде. Геотермальные станции используют 404 квадратных метра на ГВт·ч против 3632 и 1335 квадратных метров для угольных электростанций и ветряных электростанций соответственно. [46] Они используют 20 литров пресной воды на МВт·ч по сравнению с более чем 1000 литров на МВт·ч для атомной энергетики, угля или нефти. [46]
Геотермальные электростанции также могут нарушить естественные циклы гейзеров. Например, гейзеры Беоваве, штат Невада , которые представляли собой незакрытые геотермальные скважины, перестали извергаться из-за разработки станции двойного вспышки.
Похолодание местного климата возможно в результате работы геотермальных циркуляционных систем. Однако, по оценке Ленинградского горного института в 1980-х годах, возможное похолодание будет незначительным по сравнению с естественными колебаниями климата. [48]
Хотя вулканическая деятельность производит геотермальную энергию, она также опасна. По состоянию на 2022 год [обновлять]геотермальное предприятие Пуна все еще не вернулось на полную мощность после извержения нижней части Пуны в 2018 году . [49]
Геотермальная энергия не требует топлива; поэтому он невосприимчив к колебаниям стоимости топлива. Однако капитальные затраты, как правило, высоки. На бурение приходится более половины затрат, а разведка глубоких ресурсов сопряжена со значительными рисками. Типичная дублетная скважина в Неваде может обеспечить выработку электроэнергии мощностью 4,5 мегаватт (МВт), бурение стоит около 10 миллионов долларов, а уровень отказов составляет 20%. [22] В общей сложности строительство электростанции и бурение скважин обходятся примерно в 2–5 млн евро на МВт электрической мощности, при этом приведенная стоимость электроэнергии составляет 0,04–0,10 евро за кВт·ч. [10] Усовершенствованные геотермальные системы, как правило, находятся на верхней границе этих диапазонов: капитальные затраты превышают 4 миллиона долларов США за МВт, а нормированные затраты превышают 0,054 доллара США за кВт·ч в 2007 году. [50]
Исследования показывают, что хранение в резервуарах может повысить экономическую жизнеспособность усовершенствованных геотермальных систем в энергетических системах с большой долей переменных возобновляемых источников энергии. [51] [52]
Геотермальная энергия легко масштабируется: небольшая электростанция может снабжать энергией сельскую деревню, хотя первоначальные капитальные затраты могут быть высокими. [53]
Наиболее развитым геотермальным месторождением является Гейзерс в Калифорнии. В 2008 году это месторождение обслуживало 15 станций, принадлежащих Calpine , общей генерирующей мощностью 725 МВт. [54]
{{cite web}}
: Проверить |url=
значение ( помощь ){{citation}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )