Геотермальная энергия — это тепловая энергия, извлекаемая из земной коры . Она объединяет энергию, получаемую при формировании планеты, и энергию радиоактивного распада . Геотермальная энергия использовалась в качестве источника тепла и/или электроэнергии на протяжении тысячелетий.
Геотермальное отопление , например, с использованием воды из горячих источников , использовалось для купания со времен палеолита и для отопления помещений со времен Римской империи. Геотермальная энергия (генерация электроэнергии из геотермальной энергии) используется с 20-го века. В отличие от энергии ветра и солнца, геотермальные установки вырабатывают электроэнергию с постоянной скоростью, независимо от погодных условий. Геотермальных ресурсов теоретически более чем достаточно для удовлетворения энергетических потребностей человечества. Большая часть добычи происходит в районах вблизи границ тектонических плит .
Стоимость производства геотермальной энергии снизилась на 25% в 1980-х и 1990-х годах. [1] Технологический прогресс продолжал снижать затраты и тем самым расширять объем жизнеспособных ресурсов. В 2021 году Министерство энергетики США подсчитало, что электроэнергия от станции, «построенной сегодня», стоит около 0,05 долл. США/кВт·ч. [2]
В 2019 году во всем мире было доступно 13 900 мегаватт (МВт) геотермальной энергии. [3] Еще 28 гигаватт обеспечивали теплом системы централизованного теплоснабжения, отопления помещений, спа, промышленных процессов, опреснения и сельскохозяйственных нужд по состоянию на 2010 год. [4] По состоянию на 2019 год в отрасли было занято около ста тысяч человек. [5]
Прилагательное «геотермальный» происходит от греческих корней γῆ ( gê ), что означает «земля», и θερμός ( thermós ), что означает «горячий».
Горячие источники использовались для купания по крайней мере со времен палеолита . [6] Самый старый известный спа-центр находится на месте дворца Хуацин Чи. В первом веке нашей эры римляне завоевали Аква Сулис , ныне Бат, Сомерсет , Англия, и использовали горячие источники там для снабжения общественных бань и подогрева полов . Плата за вход в эти бани, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. Самая старая в мире геотермальная система централизованного теплоснабжения в Шод-Эг , Франция, работает с 15 века. [7] Самая ранняя промышленная эксплуатация началась в 1827 году с использования пара гейзера для извлечения борной кислоты из вулканической грязи в Лардерелло , Италия.
В 1892 году первая в США система централизованного теплоснабжения в Бойсе, штат Айдахо, работала на геотермальной энергии. Она была скопирована в Кламат-Фолс, штат Орегон , в 1900 году. Первым известным зданием в мире, использовавшим геотермальную энергию в качестве основного источника тепла, был отель Hot Lake в округе Юнион, штат Орегон , строительство которого началось в 1907 году. [8] Геотермальная скважина использовалась для отопления теплиц в Бойсе в 1926 году, а гейзеры использовались для отопления теплиц в Исландии и Тоскане примерно в то же время. [9] Чарльз Либ разработал первый скважинный теплообменник в 1930 году для отопления своего дома. Пар и вода гейзера начали отапливать дома в Исландии в 1943 году.
В 20 веке геотермальная энергия стала использоваться в качестве источника генерации. Принц Пьеро Джинори Конти испытал первый геотермальный генератор 4 июля 1904 года на паровом поле Лардерелло. Он успешно зажег четыре лампочки. [11] В 1911 году там была построена первая в мире коммерческая геотермальная электростанция. Она была единственным промышленным производителем геотермальной энергии, пока Новая Зеландия не построила завод в 1958 году. В 2012 году она произвела около 594 мегаватт. [12]
В 1960 году Pacific Gas and Electric начала эксплуатацию первой в США геотермальной электростанции в Гейзерс , Калифорния. [13] Первоначальная турбина прослужила более 30 лет и вырабатывала 11 МВт полезной мощности. [14]
Электростанция с бинарным циклом на основе органической жидкости была впервые продемонстрирована в 1967 году в СССР [13] и позже представлена в США в 1981 году [ требуется ссылка ] . Эта технология позволяет использовать температурные ресурсы до 81 °C. В 2006 году в Чена-Хот-Спрингс, Аляска , была введена в эксплуатацию установка с бинарным циклом, вырабатывающая электроэнергию при рекордно низкой температуре 57 °C (135 °F). [15]
Земля имеет внутреннее теплосодержание 10 31 джоулей (3·10 15 ТВт·ч ). Около 20% этого количества составляет остаточное тепло от планетарной аккреции ; остальное приписывается прошлому и настоящему радиоактивному распаду природных изотопов . [16] Например, скважина глубиной 5275 м в проекте United Downs Deep Geothermal Power Project в Корнуолле , Англия, обнаружила гранит с очень высоким содержанием тория , радиоактивный распад которого , как полагают, обеспечивает высокую температуру породы. [17]
Внутренняя температура и давление Земли достаточно высоки, чтобы заставить некоторые породы расплавиться, а твердая мантия вести себя пластично. Части мантии конвектируют вверх, поскольку она легче окружающей породы. Температура на границе ядра и мантии может достигать более 4000 °C (7230 °F). [18]
Внутренняя тепловая энергия Земли течет к поверхности посредством теплопроводности со скоростью 44,2 тераватт (ТВт) [19] и восполняется радиоактивным распадом минералов со скоростью 30 ТВт. [20] Эти мощности более чем вдвое превышают текущее потребление энергии человечеством из всех первичных источников, но большая часть этого потока энергии не подлежит восстановлению. В дополнение к внутренним тепловым потокам верхний слой поверхности на глубину 10 м (33 фута) нагревается солнечной энергией летом и охлаждается зимой.
За исключением сезонных колебаний, геотермический градиент температур через кору составляет 25–30 °C (77–86 °F) на км глубины в большинстве регионов мира. Кондуктивный тепловой поток в среднем составляет 0,1 МВт/км 2 . Эти значения намного выше вблизи границ тектонических плит, где кора тоньше. Они могут быть дополнительно увеличены за счет комбинаций циркуляции флюидов, либо через магматические каналы , горячие источники , гидротермальную циркуляцию .
Тепловая эффективность и рентабельность производства электроэнергии особенно чувствительны к температуре. Наибольшую выгоду приложения получают от высокого естественного теплового потока, проще всего из горячего источника . Следующий лучший вариант — пробурить скважину в горячий водоносный горизонт . Искусственный резервуар горячей воды может быть создан путем закачки воды для гидравлического разрыва коренной породы. Системы в этом последнем подходе называются улучшенными геотермальными системами . [21]
Оценки 2010 года потенциала выработки электроэнергии из геотермальной энергии варьируются в шесть раз, от 0,035 до 2 ТВт в зависимости от масштаба инвестиций. [4] Верхние оценки геотермальных ресурсов предполагают глубину скважин до 10 километров (6 миль), хотя скважины 20-го века редко достигали глубины более 3 километров (2 миль). [4] Скважины такой глубины распространены в нефтяной промышленности. [22]
Геотермальная энергия — это электроэнергия, вырабатываемая из геотермальной энергии. Для этой цели использовались электростанции сухого пара, мгновенного пара и бинарного цикла. По состоянию на 2010 год геотермальная электроэнергия вырабатывалась в 26 странах. [24] [25]
По состоянию на 2019 год мировая мощность геотермальной энергетики составила 15,4 гигаватт (ГВт), из которых 23,86 процента или 3,68 ГВт приходилось на Соединенные Штаты . [26]
Геотермальная энергия обеспечивает значительную долю электроэнергии в Исландии , Сальвадоре , Кении , Филиппинах и Новой Зеландии . [27]
Геотермальная энергия считается возобновляемой энергией, поскольку темпы извлечения тепла незначительны по сравнению с теплосодержанием Земли . [20] Выбросы парниковых газов геотермальными электростанциями составляют в среднем 45 граммов углекислого газа на киловатт-час электроэнергии, или менее 5 процентов от выбросов угольных электростанций. [28]
Геотермальные электростанции традиционно строились на краях тектонических плит, где высокотемпературные геотермальные ресурсы приближаются к поверхности. Развитие электростанций бинарного цикла и усовершенствования в технологии бурения и добычи позволяют усовершенствовать геотермальные системы в более широком географическом диапазоне. [21] Демонстрационные проекты действуют в Ландау-Пфальце , Германия, и Сульц-су-Форе , Франция, в то время как более ранние усилия в Базеле , Швейцария, были закрыты после того, как они вызвали землетрясения . Другие демонстрационные проекты строятся в Австралии , Великобритании и США. [32] В Мьянме более 39 мест способны производить геотермальную энергию, некоторые из них находятся недалеко от Янгона . [33]
Геотермальное отопление — это использование геотермальной энергии для обогрева зданий и воды для нужд человека. Люди делали это со времен палеолита. Примерно семьдесят стран напрямую использовали в общей сложности 270 ПДж геотермального отопления в 2004 году. По состоянию на 2007 год 28 ГВт геотермального отопления удовлетворяли 0,07% мирового потребления первичной энергии. [4] Тепловая эффективность высока, поскольку не требуется преобразования энергии, но коэффициенты мощности, как правило, низкие (около 20%), поскольку тепло в основном необходимо зимой.
Даже холодная земля содержит тепло: ниже 6 метров (20 футов) температура нетронутой земли постоянно соответствует среднегодовой температуре воздуха [34] , которую можно извлечь с помощью геотермального теплового насоса .
Гидротермальные системы производят геотермальную энергию, используя природные гидротермальные резервуары. Гидротермальные системы бывают либо паровыми , либо жидкостными .
Лардерелло и Гейзеры — это места с преобладанием пара. Места с преобладанием пара предлагают температуру от 240 до 300 °C, что приводит к образованию перегретого пара.
Жидкостно-доминируемые резервуары (LDR) чаще встречаются при температурах выше 200 °C (392 °F) и встречаются вблизи вулканов в/вокруг Тихого океана, а также в рифтовых зонах и горячих точках. Электростанции с испарением являются распространенным способом получения электроэнергии из этих источников. Пар из скважины достаточен для питания станции. Большинство скважин вырабатывают 2–10 МВт электроэнергии. Пар отделяется от жидкости с помощью циклонных сепараторов и приводит в действие электрогенераторы. Конденсированная жидкость возвращается в скважину для повторного нагрева/использования. По состоянию на 2013 год крупнейшей жидкостной системой была Серро-Прието в Мексике, которая вырабатывает 750 МВт электроэнергии при температурах, достигающих 350 °C (662 °F).
Низкотемпературные LDR (120–200 °C) требуют перекачки. Они распространены в протяженных ландшафтах, где нагрев происходит посредством глубокой циркуляции вдоль разломов, например, на западе США и в Турции. Вода проходит через теплообменник в бинарном цикле Ренкина . Вода испаряет органическую рабочую жидкость, которая приводит в движение турбину . Эти бинарные установки появились в Советском Союзе в конце 1960-х годов и преобладают на новых установках. Бинарные установки не имеют выбросов. [12] [35]
Инженерная геотермальная система — это геотермальная система, которую инженеры искусственно создали или улучшили. Инженерные геотермальные системы используются в различных геотермальных резервуарах, которые имеют горячие породы, но недостаточное качество естественного резервуара, например, недостаточное количество геофлюида или недостаточная проницаемость или пористость породы, чтобы работать как естественные гидротермальные системы. Типы инженерных геотермальных систем включают улучшенные геотермальные системы , замкнутые или усовершенствованные геотермальные системы и некоторые геотермальные системы со сверхгорячими породами . [36]
Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) активно закачивают воду в скважины для нагрева и откачки обратно. Вода закачивается под высоким давлением, чтобы расширить существующие трещины в породах и позволить воде свободно течь. Эта технология была адаптирована из методов гидроразрыва пласта в нефтяной и газовой промышленности . Геологические формации залегают глубже, и не используются токсичные химикаты, что снижает вероятность нанесения ущерба окружающей среде. Вместо этого используются проппанты, такие как песок или керамические частицы, чтобы удерживать трещины открытыми и обеспечивать оптимальные скорости потока. [37] Бурильщики могут использовать направленное бурение для расширения размера резервуара. [12]
Небольшие EGS были установлены в Рейнском Грабене в Сульц-су-Форе во Франции, а также в Ландау и Инсхайме в Германии. [12]
Геотермальные системы с замкнутым контуром, иногда в разговорной речи называемые передовыми геотермальными системами (AGS), представляют собой спроектированные геотермальные системы, содержащие подземную рабочую жидкость, которая нагревается в резервуаре горячей породы без прямого контакта с порами и трещинами породы. Вместо этого подземная рабочая жидкость остается внутри замкнутого контура глубоко зарытых труб, которые проводят тепло Земли. Преимущества глубокой геотермальной цепи с замкнутым контуром включают: (1) отсутствие необходимости в геожидкости, (2) отсутствие необходимости в том, чтобы горячая порода была проницаемой или пористой, и (3) вся введенная рабочая жидкость может быть рециркулирована с нулевыми потерями. [36] Eavor tm , канадский геотермальный стартап, опробовал свою замкнутую систему в неглубоких мягких скальных образованиях в Альберте, Канада. Расположенный в осадочном бассейне, геотермальный градиент оказался недостаточным для выработки электроэнергии. Однако система успешно произвела около 11 000 МВт-ч тепловой энергии в течение первых двух лет эксплуатации." [38] [39]
Как и ветровая и солнечная энергия, геотермальная энергия имеет минимальные эксплуатационные расходы; капитальные затраты преобладают. Бурение составляет более половины расходов, и не все скважины производят пригодные для эксплуатации ресурсы. Например, типичная пара скважин (одна для добычи и одна для закачки) в Неваде может производить 4,5 мегаватт (МВт) и стоит около 10 миллионов долларов на бурение, с 20%-ным уровнем неудач, что делает среднюю стоимость успешной скважины 50 миллионов долларов. [40]
Бурение геотермальных скважин обходится дороже, чем бурение нефтяных и газовых скважин сопоставимой глубины по нескольким причинам:
По состоянию на 2007 год стоимость строительства завода и бурения скважин составляла около 2–5 миллионов евро за МВт электрической мощности, в то время как цена безубыточности составляла 0,04–0,10 евро за кВт·ч. [10] Улучшенные геотермальные системы, как правило, находятся на верхней границе этих диапазонов, с капитальными затратами более 4 миллионов долларов за МВт и безубыточностью более 0,054 долларов за кВт·ч. [42]
В период с 2013 по 2020 год частные инвестиции были основным источником финансирования возобновляемой энергетики , составляя примерно 75% от общего финансирования. Сочетание частного и государственного финансирования различается в зависимости от различных технологий возобновляемой энергетики, в зависимости от их рыночной привлекательности и готовности. В 2020 году геотермальная энергетика получила всего 32% своих инвестиций из частных источников. [43] [44]
В январе 2024 года был опубликован отчет Программы содействия управлению энергетическим сектором (ESMAP) «Социально-экономические последствия развития геотермальной энергетики», в котором подчеркиваются существенные социально-экономические преимущества развития геотермальной энергетики, которые значительно превосходят преимущества ветровой и солнечной энергетики, создавая, по оценкам, 34 рабочих места на мегаватт в различных секторах. В отчете подробно описывается, как геотермальные проекты способствуют развитию навыков посредством практического обучения на рабочем месте и формального образования, тем самым укрепляя местную рабочую силу и расширяя возможности трудоустройства. В нем также подчеркивается совместный характер развития геотермальной энергетики с местными сообществами , что приводит к улучшению инфраструктуры, программ развития навыков и моделей распределения доходов, тем самым улучшая доступ к надежной электроэнергии и теплу. Эти улучшения могут повысить производительность сельского хозяйства и продовольственную безопасность . В отчете далее рассматривается обязательство по продвижению гендерного равенства и социальной интеграции путем предоставления возможностей трудоустройства, образования и обучения недостаточно представленным группам, обеспечивая справедливый доступ к преимуществам развития геотермальной энергетики. В совокупности эти усилия играют важную роль в стимулировании внутреннего экономического роста, увеличении бюджетных поступлений и содействии более стабильной и разнообразной национальной экономике, а также предлагают значительные социальные выгоды, такие как лучшее здравоохранение, образование и сплоченность общества. [45]
Геотермальные проекты имеют несколько стадий развития. Каждая фаза имеет сопутствующие риски. Многие проекты отменяются на этапах разведки и геофизических исследований, которые не подходят для традиционного кредитования. На более поздних стадиях часто могут финансироваться за счет акционерного капитала. [46]
Распространенная проблема, с которой сталкиваются геотермальные системы, возникает, когда система расположена в богатых карбонатами формациях. В таких случаях жидкости, извлекающие тепло из недр, часто растворяют фрагменты породы во время их подъема к поверхности, где они впоследствии охлаждаются. По мере охлаждения жидкостей растворенные катионы выпадают в осадок из раствора, что приводит к образованию кальциевой накипи, явления, известного как кальцитное накипь. Это кальцитное накипь может снизить скорость потока и потребовать простоя системы для целей технического обслуживания. [47]
Геотермальная энергия считается устойчивой, поскольку извлекаемое тепло настолько мало по сравнению с теплосодержанием Земли, которое приблизительно в 100 миллиардов раз превышает мировое годовое потребление энергии в 2010 году. [4] Тепловые потоки Земли не находятся в равновесии; планета остывает в геологических масштабах времени. Антропное извлечение тепла обычно не ускоряет процесс охлаждения.
Скважины можно также считать возобновляемыми источниками, поскольку они возвращают извлеченную воду в скважину для повторного нагрева и повторного извлечения, хотя и при более низкой температуре.
Замена использования материалов на энергию сократила воздействие человека на окружающую среду во многих приложениях. Геотермальная энергия имеет потенциал для дальнейшего сокращения. Например, Исландия имеет достаточно геотермальной энергии, чтобы исключить ископаемое топливо для производства электроэнергии и обогревать тротуары Рейкьявика и исключить необходимость в посыпке песком. [48]
Однако необходимо учитывать локальные эффекты извлечения тепла. [20] В течение десятилетий отдельные скважины снижают локальные температуры и уровни воды. Три старейших объекта, в Лардерелло, Вайракеи и Гейзерс, испытали снижение производительности из-за локального истощения. Тепло и вода, в неопределенных пропорциях, извлекались быстрее, чем пополнялись. Сокращение добычи и закачка дополнительной воды могли бы позволить этим скважинам восстановить свою первоначальную мощность. Такие стратегии были реализованы на некоторых объектах. Эти объекты продолжают обеспечивать значительную энергию. [49] [50]
Электростанция Вайракей была введена в эксплуатацию в ноябре 1958 года и достигла пиковой мощности в 173 МВт в 1965 году, но уже подача пара высокого давления давала сбои. В 1982 году ее мощность была снижена до среднего давления, а выход — до 157 МВт. В 2005 году были добавлены две системы изопентана мощностью 8 МВт , что увеличило выход примерно на 14 МВт. Подробные данные были утеряны из-за реорганизаций.
Жидкости, извлекаемые из-под земли, несут в себе смесь газов, в частности, углекислый газ ( CO
2), сероводород ( H
2S ), метан ( CH
4) и аммиак ( NH
3). Эти загрязняющие вещества способствуют глобальному потеплению , кислотным дождям и неприятным запахам, если они выбрасываются. Существующие геотермальные электростанции выбрасывают в среднем 122 кг (269 фунтов) CO
2на мегаватт-час (МВт·ч) электроэнергии, что составляет небольшую часть интенсивности выбросов электростанций, работающих на ископаемом топливе. [51] [ требуется обновление ] Некоторые электростанции выбрасывают больше загрязняющих веществ, чем электростанции, работающие на газе, по крайней мере, в первые несколько лет, например, некоторые геотермальные электростанции в Турции . [52] Электростанции, на которых наблюдается высокий уровень кислот и летучих химикатов, обычно оснащены системами контроля выбросов для снижения выхлопных газов. Новые появляющиеся технологии замкнутого цикла, разработанные Eavor, имеют потенциал для снижения этих выбросов до нуля. [38]
Вода из геотермальных источников может содержать в растворе следовые количества токсичных элементов, таких как ртуть , мышьяк , бор и сурьма . [53] Эти химикаты осаждаются по мере охлаждения воды и могут нанести вред окружающей среде в случае их высвобождения. Современная практика возврата геотермальных жидкостей в Землю для стимулирования производства имеет побочное преимущество в виде снижения этого воздействия на окружающую среду.
Строительство может негативно повлиять на устойчивость земли. Просадка произошла на месторождении Вайракей. [7] В Штауфен-им-Брайсгау , Германия, вместо этого произошло тектоническое поднятие . Ранее изолированный слой ангидрида вступил в контакт с водой и превратил ее в гипс, увеличив свой объем вдвое. [54] [55] [56] Улучшенные геотермальные системы могут вызывать землетрясения в рамках гидроразрыва пласта . Проект в Базеле , Швейцария, был приостановлен, поскольку в течение первых 6 дней закачки воды произошло более 10 000 сейсмических событий силой до 3,4 балла по шкале Рихтера . [57]
Геотермальное производство энергии имеет минимальные требования к земле и пресной воде. Геотермальные станции используют 3,5 квадратных километра (1,4 квадратных миль) на гигаватт электроэнергии (не мощности) по сравнению с 32 квадратными километрами (12 квадратных миль) и 12 квадратными километрами (4,6 квадратных миль) для угольных объектов и ветровых электростанций соответственно. [7] Они используют 20 литров (5,3 галлона США) пресной воды на МВт·ч по сравнению с более чем 1000 литров (260 галлонов США) на МВт·ч для ядерной энергетики, угля или нефти. [7]
Филиппины начали геотермальные исследования в 1962 году, когда Филиппинский институт вулканологии и сейсмологии обследовал геотермальный регион в Тиви, Албай . [58] Первая геотермальная электростанция на Филиппинах была построена в 1977 году и располагалась в Тонгонане, Лейте . [58] Правительство Новой Зеландии заключило контракт с Филиппинами на строительство станции в 1972 году. [59] Геотермальное поле Тонгонана (TGF) добавило станции Верхний Маиао, Матлибог и Южный Самбалоран, что привело к мощности в 508 МВ. [60]
Первая геотермальная электростанция в регионе Тиви открылась в 1979 году, а две другие последовали за ней в 1980 и 1982 годах. [58] Геотермальное поле Тиви расположено примерно в 450 км от Манилы . [61] Три геотермальные электростанции в регионе Тиви производят 330 МВт, что ставит Филиппины позади США и Мексики по росту геотермальной энергии. [62] На Филиппинах есть 7 геотермальных полей, и они продолжают использовать геотермальную энергию, создав Филиппинский энергетический план на 2012–2030 годы, который направлен на производство 70% энергии страны к 2030 году. [63] [64]
По данным Ассоциации геотермальной энергетики (GEA), установленная геотермальная мощность в США выросла на 5%, или на 147,05 МВт, в 2013 году. Этот рост произошел за счет семи геотермальных проектов, которые начали производство в 2012 году. GEA пересмотрела свою оценку установленной мощности за 2011 год в сторону увеличения на 128 МВт, доведя установленную геотермальную мощность США до 3386 МВт. [65]
Муниципальное правительство Сегеда пытается сократить потребление газа на 50 процентов, используя геотермальную энергию для своей системы централизованного теплоснабжения. Геотермальная электростанция Сегеда имеет 27 скважин, 16 котельных и 250 километров распределительных труб. [66]
Выбросы CO2 от геотермальных электростанций составляют от 900 до 1300 г/кВтч