Геотермальная энергия — это электроэнергия, вырабатываемая из геотермальной энергии . Используемые технологии включают в себя электростанции сухого пара, электростанции мгновенного пара и электростанции бинарного цикла . Геотермальная генерация электроэнергии в настоящее время используется в 26 странах, [1] [2] , в то время как 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 Соединенных Штатах . [4] Международные рынки росли со среднегодовым темпом 5 процентов в течение трех лет до 2015 года, и ожидается, что глобальная мощность геотермальной энергии достигнет 14,5–17,6 ГВт к 2020 году. [5] Основываясь на текущих геологических знаниях и технологиях, которые публично раскрывает Ассоциация геотермальной энергии (GEA), GEA оценивает, что на данный момент задействовано только 6,9% от общего мирового потенциала, в то время как МГЭИК сообщила, что потенциал геотермальной энергии находится в диапазоне от 35 ГВт до 2 ТВт . [3] Страны, вырабатывающие более 15 процентов своей электроэнергии из геотермальных источников, включают Сальвадор , Кению , Филиппины , Исландию , Новую Зеландию [6] и Коста -Рику . Потенциал геотермальных энергетических ресурсов Индонезии оценивается в 29 ГВт, что является крупнейшим в мире; в 2017 году его установленная мощность составляла 1,8 ГВт.
Геотермальная энергия считается устойчивым , возобновляемым источником энергии, поскольку извлечение тепла невелико по сравнению с теплосодержанием Земли . [7] Выбросы парниковых газов геотермальными электростанциями 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 электроснабжения и отопления, геотермальная энергия имеет потенциал для покрытия от 3 до 5% мирового спроса к 2050 году. При наличии экономических стимулов предполагается, что к 2100 году можно будет удовлетворить 10% мирового спроса за счет геотермальной энергии. [6]
В 20 веке спрос на электроэнергию привел к рассмотрению геотермальной энергии в качестве источника генерации. Принц Пьеро Джинори Конти испытал первый геотермальный генератор энергии 4 июля 1904 года в Лардерелло, Италия . Он успешно зажег 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 по величине промышленным производителем геотермальной электроэнергии, когда была введена в эксплуатацию ее станция Вайракей . Вайракей была первой станцией, использовавшей технологию мгновенного испарения. [11] За последние 60 лет чистая добыча жидкости превысила 2,5 км3 . Просадка грунта в Вайракей-Таухара была проблемой в ряде официальных слушаний, связанных с экологическими разрешениями на расширенное развитие системы как источника возобновляемой энергии. [6]
В 1960 году Pacific Gas and Electric начала эксплуатацию первой успешной геотермальной электростанции в Соединенных Штатах на Гейзерах в Калифорнии. [12] Первоначальная турбина прослужила более 30 лет и вырабатывала 11 МВт полезной мощности. [13]
Электростанция с бинарным циклом на основе органической жидкости была впервые продемонстрирована в 1967 году в Советском Союзе [12] и позже представлена в Соединенных Штатах в 1981 году [ требуется ссылка ] после энергетического кризиса 1970-х годов и значительных изменений в политике регулирования. Эта технология позволяет использовать температурные ресурсы до 81 °C. В 2006 году в Чена-Хот-Спрингс, Аляска , была введена в эксплуатацию станция с бинарным циклом, вырабатывающая электроэнергию из рекордно низкой температуры жидкости 57 °C (135 °F). [14]
Геотермальные электростанции до недавнего времени строились исключительно там, где высокотемпературные геотермальные ресурсы доступны вблизи поверхности. Развитие электростанций бинарного цикла и усовершенствования в технологии 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 ранняя попытка в Базеле , Швейцария, была закрыта после того, как она спровоцировала землетрясения. Другие демонстрационные проекты строятся в Австралии , Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах Америки . [16]
Тепловая эффективность геотермальных электростанций низкая, около 7–10%, [17], поскольку геотермальные жидкости имеют низкую температуру по сравнению с паром из котлов. По законам термодинамики эта низкая температура ограничивает эффективность тепловых двигателей в извлечении полезной энергии во время выработки электроэнергии. Отработанное тепло теряется, если его нельзя использовать напрямую и локально, например, в теплицах, лесозаготовительных цехах и централизованном отоплении. Эффективность системы не влияет на эксплуатационные расходы, как это было бы для угольных или других электростанций на ископаемом топливе, но она влияет на жизнеспособность станции. Чтобы производить больше энергии, чем потребляют насосы, для выработки электроэнергии требуются высокотемпературные геотермальные поля и специализированные тепловые циклы. [ необходима 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 , согласно МГЭИК , в 2008 году средний мировой коэффициент мощности составил 74,5% . [19]
Содержание тепла в Земле составляет около 1 × 10 19 ТДж (2,8 × 10 15 ТВт·ч) . [3] Это тепло естественным образом течет к поверхности за счет проводимости со скоростью 44,2 ТВт [20] и восполняется радиоактивным распадом со скоростью 30 ТВт. [7] Эти мощности более чем вдвое превышают текущее потребление энергии человечеством из первичных источников, но большая часть этой мощности слишком рассеяна (в среднем около 0,1 Вт/м 2 ), чтобы ее можно было извлечь. Земная кора эффективно действует как толстое изолирующее одеяло, которое должно быть пронизано жидкими каналами ( магмы , воды или другого) для высвобождения тепла под ним.
Для производства электроэнергии требуются высокотемпературные ресурсы, которые могут поступать только из глубины земли. Тепло должно переноситься на поверхность посредством циркуляции жидкости либо через магматические каналы , горячие источники , гидротермальную циркуляцию , нефтяные скважины , пробуренные скважины с водой или их комбинацию. Эта циркуляция иногда существует естественным образом там, где земная кора тонкая: магматические каналы доставляют тепло близко к поверхности, а горячие источники выносят тепло на поверхность. Если горячего источника нет, необходимо пробурить скважину в горячий водоносный горизонт . Вдали от границ тектонических плит геотермальный градиент составляет 25–30 °C на километр (км) глубины в большинстве регионов мира, поэтому скважины должны быть глубиной в несколько километров, чтобы обеспечить выработку электроэнергии. [3] Количество и качество извлекаемых ресурсов улучшаются с глубиной бурения и близостью к границам тектонических плит.
В горячей, но сухой земле или там, где давление воды недостаточно, закачиваемая жидкость может стимулировать добычу. Разработчики бурят две скважины в потенциальном месте и разрушают породу между ними с помощью взрывчатки или воды под высоким давлением . Затем они закачивают воду или сжиженный углекислый газ в одну скважину, и она поднимается через 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 иметь гораздо больший потенциал, чем при обычном вскрытии природных водоносных горизонтов. [15]
Оценки потенциала геотермальной энергии для генерации электроэнергии варьируются от 35 до 2000 ГВт в зависимости от масштаба инвестиций. [3] Это не включает неэлектрическое тепло, полученное путем когенерации, геотермальных тепловых насосов и другого прямого использования. Отчет Массачусетского технологического института (MIT) за 2006 год, который включал потенциал усовершенствованных геотермальных систем, подсчитал, что инвестирование 1 миллиарда долларов США в исследования и разработки в течение 15 лет позволит создать 100 ГВт электрической генерирующей мощности к 2050 году только в Соединенных Штатах. [15] Отчет MIT подсчитал, что более 200 × 10 9 ТДж (200 ЗДж; 5,6 × 10 7 ТВт·ч) можно будет извлечь, с потенциалом увеличения этого показателя до более чем 2000 ЗДж с усовершенствованием технологий — достаточно, чтобы обеспечить все текущие потребности мира в энергии на несколько тысячелетий . [15]
В настоящее время глубина геотермальных скважин редко превышает 3 км (1,9 мили). [3] Верхние оценки геотермальных ресурсов предполагают глубину скважин до 10 км (6,2 мили). Бурение вблизи этой глубины 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 влекут за собой расходы на бурение в десятки миллионов долларов. [22] Технологические проблемы заключаются в бурении широких скважин с низкими затратами и в разрушении больших объемов породы.
Геотермальная энергия считается устойчивой, поскольку извлечение тепла мало по сравнению с содержанием тепла в Земле, но извлечение все равно должно контролироваться, чтобы избежать локального истощения. [7] Хотя геотермальные объекты способны обеспечивать тепло в течение многих десятилетий, отдельные скважины могут остыть или исчерпать воду. Три самых старых объекта, в Лардерелло, Вайракеи и Гейзерс, сократили производство с пиков. Неясно, извлекали ли эти станции энергию быстрее, чем она восполнялась с больших глубин, или же водоносные горизонты, поставляющие их, истощаются. Если производство сократится, а вода будет закачана обратно, эти скважины теоретически могут восстановить свой полный потенциал. Такие стратегии смягчения уже были реализованы на некоторых объектах. Долгосрочная устойчивость геотермальной энергии была продемонстрирована на месторождении Лардерелло в Италии с 1913 года, на месторождении Вайракеи в Новой Зеландии с 1958 года [23] и на месторождении Гейзерс в Калифорнии с 1960 года [24].
Геотермальные электростанции похожи на другие паротурбинные тепловые электростанции тем, что тепло от источника топлива (в случае геотермальных электростанций — ядра Земли) используется для нагрева воды или другой рабочей жидкости . Затем рабочая жидкость используется для вращения турбины генератора, тем самым вырабатывая электроэнергию. Затем жидкость охлаждается и возвращается к источнику тепла.
Сухие паровые станции являются самой простой и старой конструкцией. Существует немного электростанций этого типа, потому что им требуется ресурс, который производит сухой пар , но они являются самыми эффективными, с самыми простыми сооружениями. [25] На этих участках в резервуаре может присутствовать жидкая вода, но на поверхность выводится только пар, а не вода. [25] Сухая паровая энергия напрямую использует геотермальный пар температурой 150 °C или выше для вращения турбин. [3] Когда турбина вращается, она приводит в действие генератор, который вырабатывает электричество и добавляется к силовому полю. [26] Затем пар выбрасывается в конденсатор, где он снова превращается в жидкость, которая затем охлаждает воду. [27] После того, как вода охлаждается, она стекает по трубе, которая отводит конденсат обратно в глубокие скважины, где его можно повторно нагреть и снова произвести. На Гейзерах в Калифорнии после первых 30 лет производства электроэнергии подача пара истощилась, и генерация существенно сократилась. Для восстановления части прежних мощностей в 1990-х и 2000-х годах была разработана дополнительная закачка воды, в том числе с использованием сточных вод из близлежащих муниципальных очистных сооружений. [28]
Паровые станции мгновенного испарения закачивают горячую воду высокого давления в резервуары с более низким давлением и используют полученный пар для приведения в действие турбин. Им требуется температура жидкости не менее 180 °C, обычно больше. Это наиболее распространенный тип станций, работающих сегодня. [ необходима ссылка ] Паровые станции мгновенного испарения используют геотермальные резервуары воды с температурой более 360 °F (182 °C). Горячая вода течет вверх через скважины в земле под собственным давлением. По мере того, как она течет вверх, давление уменьшается, и часть горячей воды преобразуется 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 самой последней разработкой и могут принимать температуру жидкости до 57 °C. [14] Умеренно горячая геотермальная вода проходит через вторичную жидкость с гораздо более низкой температурой кипения, чем у воды. Это заставляет вторичную жидкость мгновенно испаряться, что затем приводит в движение турбины. Это наиболее распространенный тип геотермальной электростанции, строящейся сегодня. [31] Используются как органические циклы Ренкина , так и циклы Калины . Тепловой КПД этого типа станции обычно составляет около 10–13%. [32] Электростанции с бинарным циклом имеют среднюю единичную мощность 6,3 МВт, 30,4 МВт на электростанциях с одинарным вспышкой, 37,4 МВт на электростанциях с двойным вспышкой и 45,4 МВт на электростанциях, работающих на перегретом паре. [33]
Международное агентство по возобновляемым источникам энергии сообщило, что на конец 2020 года во всем мире было задействовано 14 438 мегаватт (МВт) геотермальной энергии, что позволило выработать 94 949 ГВт-ч электроэнергии. [35] Теоретически, мировых геотермальных ресурсов достаточно для обеспечения людей энергией. Однако в настоящее время только малая часть мировых геотермальных ресурсов может быть исследована на прибыльной основе. [36]
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 по разработке первой в стране геотермальной электростанции в не имеющем выхода к морю штате Чхаттисгарх . [ 38 ]
Геотермальная энергетика в Канаде имеет высокий потенциал из-за ее положения на Тихоокеанском огненном кольце . Регион наибольшего потенциала — Канадские Кордильеры , простирающиеся от Британской Колумбии до Юкона , где оценки генерируемой мощности варьируются от 1550 МВт до 5000 МВт. [39]
География Японии уникально подходит для производства геотермальной энергии. В Японии есть многочисленные горячие источники , которые могли бы обеспечить топливом геотермальные электростанции, но для этого потребуются огромные инвестиции в инфраструктуру Японии. [40]
Самая большая группа геотермальных электростанций в мире расположена в Гейзерс , геотермальном поле в Калифорнии , США . [42] По состоянию на 2021 год пять стран ( Кения , Исландия , Сальвадор , Новая Зеландия и Никарагуа) вырабатывают более 15% своей электроэнергии из геотермальных источников. [41]
В следующей таблице приведены эти данные по каждой стране:
Данные за 2021 год. Данные получены из EIA . [41] Включает только страны с более чем 0,01 ТВт·ч генерации. Ссылки для каждого местоположения ведут на соответствующую страницу геотермальной энергии, если она доступна.
Существующие геотермальные электростанции, которые попадают в 50-й процентиль всех исследований выбросов за весь жизненный цикл, рассмотренных МГЭИК , производят в среднем 45 кг CO
2эквивалент выбросов на мегаватт-час выработанной электроэнергии (кг CO
2экв./ МВт·ч ). [43] Для сравнения, угольная электростанция выбрасывает 1001 кг CO
2эквивалент на мегаватт-час без учета улавливания и хранения углерода (CCS). [8] [43] Поскольку многие геотермальные проекты расположены в вулканически активных районах, которые естественным образом выделяют парниковые газы, предполагается, что геотермальные станции могут фактически снизить скорость дегазации за счет снижения давления на подземные резервуары. [44]
Станции, которые испытывают высокие уровни кислот и летучих химикатов, обычно оборудованы системами контроля выбросов для уменьшения выхлопов. Геотермальные станции также могут закачивать эти газы обратно в землю в качестве формы улавливания и хранения углерода, как, например, в Новой Зеландии [44] и в проекте CarbFix в Исландии.
Другие станции, такие как геотермальная электростанция Кызылдере , демонстрируют возможность использования геотермальных жидкостей для переработки углекислого газа в сухой лед на двух близлежащих заводах, что приводит к очень незначительному воздействию на окружающую среду. [45]
Помимо растворенных газов, горячая вода из геотермальных источников может содержать в растворе следовые количества токсичных химикатов, таких как ртуть , мышьяк , бор , сурьма и соль. [46] Эти химикаты выходят из раствора по мере охлаждения воды и могут нанести ущерб окружающей среде, если будут высвобождены. Современная практика закачки геотермальных жидкостей обратно в Землю для стимуляции производства имеет побочное преимущество в виде снижения этого экологического риска.
Строительство станции может негативно повлиять на устойчивость земли. Просадка произошла на месторождении Вайракей в Новой Зеландии. [47] Усовершенствованные геотермальные системы могут спровоцировать землетрясения из-за закачки воды. 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 . [48] Риск геотермального бурения, приводящего к подъёму, был испытан в Штауфен-им-Брайсгау .
Геотермальная энергетика имеет минимальные требования к земле и пресной воде. Геотермальные станции используют 404 квадратных метра на ГВт·ч против 3632 и 1335 квадратных метров для угольных установок и ветровых электростанций соответственно. [47] Они используют 20 литров пресной воды на МВт·ч против более 1000 литров на МВт·ч для ядерной, угольной или нефтяной энергетики. [47]
Локальное похолодание 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. [49]
Хотя вулканическая активность производит геотермальную энергию, она также рискованна. По состоянию на 2022 год [update]Puna Geothermal Venture все еще не вернулась на полную мощность после извержения Нижней Пуны в 2018 году . [50]
Геотермальная энергия не требует топлива; поэтому она невосприимчива к колебаниям стоимости топлива. Однако капитальные затраты , как правило, высоки. Бурение составляет более половины затрат, а разведка глубоких ресурсов влечет за собой значительные риски. Типичная пара скважин в Неваде может поддерживать 4,5 мегаватт (МВт) выработки электроэнергии и стоит около 10 миллионов долларов на бурение с 20%-ным уровнем отказов. [22] В общей сложности строительство электростанции и бурение скважин обходятся примерно в 2–5 миллионов евро за МВт электрической мощности, в то время как приведенная стоимость энергии составляет 0,04–0,10 евро за кВт·ч. [10] Улучшенные геотермальные системы, как правило, находятся на верхней стороне этих диапазонов, с капитальными затратами более 4 миллионов долларов за МВт и приведенными затратами более 0,054 доллара за кВт·ч в 2007 году. [51]
Исследования показывают, что хранение в водохранилище может повысить экономическую жизнеспособность усовершенствованных геотермальных систем в энергетических системах с большой долей переменных возобновляемых источников энергии . [52] [53]
Геотермальная энергия легко масштабируется: небольшая электростанция может снабжать электроэнергией сельскую деревню, хотя первоначальные капитальные затраты могут быть высокими. [54]
Наиболее развитое геотермальное поле — Гейзеры в Калифорнии. В 2008 году это поле поддерживало 15 станций, все из которых принадлежали Calpine , с общей генерирующей мощностью 725 МВт. [55]
{{citation}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)