Геотермальна енергія
Вираз "геотермальна енергія" буквально означає, що це енергія тепла землі (гео - земля, термальна - теплова). Основним джерелом цієї енергії є постійний потік тепла з розжарених надр, направляли до поверхні землі. Цього тепла достатньо, щоб розплавляти гірські породи під земною корою, перетворюючи їх на магму (яку ми можемо іноді бачити на поверхні у вигляді лави). Велика частина магми залишається під землею і, подібно до печі, нагріває породу навколо. Коли підземні води стикаються із цим теплом, вони теж дуже нагріваються - іноді до температури 371°С. У деяких місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках" теплота підходить так близько до поверхні, що її можливо добувати за допомогою геотермальних свердловин.
Поверхня Землі складається із 12 окремих тектонічних плит, величезних платформ земної кори, які постійно дуже повільно рухаються.
Джерела геотермальної енергії можливо виявити в трьох основних зонах - там, де стикаються дві тектонічні плити, при цьому одна з них рухається під другою:
субдукційна зола (наприклад, Японські острови та Анди в Південній Америці);
зони, де магма виходить на нижній горизонт ґрунту чи просто на поверхню (Каліфорнійська затока, рифові долини в Африці, Середньо-атлантичний хребет);
"гарячі точки", в яких магма постійно витискається на поверхню Землі (Гаванські острови).
Геотермальний резервуар є насправді масою породи, що розтріскалася в чемній корі й насичена гарячою водою чи парою, при цьому перший тип є найбільш поширеним. Щоб добути воду чи пару на поверхню, в резервуарі бурять свердловини. Розміри резервуарів - від кількох тисяч кубічних метрів до кількох кубічних кілометрів. Якщо вода достатньо гаряча, вона підіймається на поверхню природним шляхом, при більш низькій температурі може знадобитися насос.
Розрізняють чотири основні типи геотермальної енергії:
нормальне поверхове тепло землі, яке використовується геотермальними тепловими насосами;
гідротермальні системи, тобто резервуари пари, гарячої чи теплої води біля самої поверхні землі (нині для вироблення електроенергії використовуються саме ці ресурси);
глибока коркова теплота, яка утримується під поверхнею землі, але може не мати води;
енергія магми, теплота, що накопичена під вулканами та кальдерами; іноді магма частково буває к розплавленому стані.
Якби можна було використовувати всього 1% геотермальної енергії земної кори (глибина 10 км), ми мали б у своєму розпорядженні кількість енергії, яка в 500 разів перевищувала б усі світові запаси нафти та газу.
У геологічному розумінні геотермальна теплота - це теплота при температурах, вищих за Температури навколишнього середовища. Запаси цієї теплоти становлять приблизно 8·1030 Дж, ця кількість перевищує річне споживання енергії в усьому світі в 35 млрд. разів. Однак сьогодні дуже незначна кількість цих запасів може бути використана. Обмеження зумовлені в основному економічними причинами. На глибині більш ніж 5 км від поверхні Землі зміна температурного градієнта становить 30-35°С на кожний кілометр. Різні регіони земної кулі відрізняються один від одного широким спектром зміни зазначеного градієнта. У деяких місцях Землі температурний градієнт перевищує згадане значення в 10 разів; при цьому зміна температури на глибині 5 км досягає 500°С.
Теплові потоки в надрах Землі, які проходять крізь тверді породи, мають відносно незначні параметри (вони в декілька тисяч разів менші за сонячну радіацію). Отже, теплота земних надр у вигляді теплових потоків, які передаються шляхом теплопровідності, не має суттєвого практичного значення.
Проявом геотермальної теплоти, що мас практичне значення, є запаси гарячої води в підземних резервуарах та гейзери, що виходять на поверхню.
Геотермальною вважається енергія, перенесена із глибин Землі за допомогою різних видів теплообміну (теплопровідністю та конвекцією). Припускається, що тепло магми переноситься теплопровідністю крізь структурні шари Землі.
Геотермальна енергія сьогодні використовується для теплопостачання (виробничі технологічні процеси харчової та обробної промисловості, опалення тощо) та вироблення електроенергії.
Експлуатація геотермальних джерел базується на попередньому геологічному дослідженні, щоб уникнути значного фінансового ризику за умови подальших капітальних витрат.
Отже, для того, щоб визначити, чи має певна місцевість потенціал постачання геотермальної теплоти для промислових та побутових потреб, потрібен попередній пошук, що є ризикованим, але необхідним. Ця особливість є однією з головних відмінностей геотермальної енергії від інших поновлюваних джерел енергії.
Підземні геотермальні резервуари поділяються на:
заповнені в основному парою (перегрітою чи насиченою);
заповнені в основному гарячою водою (з невеликим вмістом насиченої пари).
Принципову схему геотермальної електростанції з паровою турбіною наведено на рис. 11, при цьому використовується резервуар сухої пари, яка зі свердловин подається в турбіну для вироблення електроенергії.
На станціях іншого типу використовуються геотермальні води з температурою, вищою за 190°С. Вода, яка природним чином підіймається вгору по свердловині, подається в сепаратор, де частина її кипить та перетворюється на пару. Пара використовується для одержання електроенергії.
Електростанція з бінарним циклом ґрунтується на двох замкнених циклах - один для геотермальної води, другий - для робочої рідини чи газу з низькою температурою кипіння (наприклад, ізобутан).
Робоча рідина, нагріта геотермальною водою, перетворюється на пару, яка надходить у теплообмінник та використовується для обертання турбіни. Оскільки обидва контури замкнені, немає практично ніяких викидів, що робить систему екологічно чистою. Робоча рідина випаровується при більш низькій температурі, ніж вода, тому бінарні станції працюють при значно нижчих температурах, ніж інші типи геотермальних станцій (100-190°С). А оскільки джерела геотермальної води з температурою нижчою за 190°С найбільш поширені, то в майбутньому цей тіні станцій матиме перевагу.
Геотермальні води, які використовуються для теплопостачання, можна умовно поділити на 3 групи:
води, які можуть безпосередньо використовуватися споживачами і підігріватися без будь-яких негативних наслідків, тобто води найбільш вигідної якості;
води, які можуть безпосередньо використовуватися споживачами для опалення, але не можуть підлягати підігріву через їхні агресивні властивості;
води підвищеної мінералізації та агресивності, які неможливо використовувати безпосередньо.
Схема системи геотермального теплопостачання, розроблена Інститутом механічної теплофізики НАН України, подана на рис. 12 і має такі показники:
теплова потужність модуля, МВт - 5;
зокрема теплопостачання, МВт - 3;
гаряче водопостачання, МВт - 2;
температура на виході свердловини, °С - 60-80;
температура води в опалювальній системі, °С - 55-75;
температура води гарячого водопостачання, °С - 50;
тиск води свердловини, МПа, не менше як - 1,5;
габаритні розміри будівлі, м.
Україна має у своєму розпорядженні значні ресурси геотермальної енергії, потенціальні запаси яких оцінюються величиною 1022 Дж. Це еквівалентно запасам палива 3,4·1011 т у.п. Потенційна можливість геоТЕС з урахуванням розвіданих запасів і ККД перетворення геотермальної енергії становить 230 ГВт. В Україні найбільш перспективний для розвитку геотермальної енергетики регіон - це Закарпаття, де, за геологічними і за геофізичними даними, на глибинах до 6 км температури гірських порід досягають 230-275°С.
Значні ресурси геотермальної енергії має Крим, для якого найбільш перспективними є Турханкутський і Керченський півострови, де спостерігаються невеликі геотермальні градієнти, а температура гірських порід на глибинах 3,5-4 км може досягати 160-180°С.
Виходячи з наявних оцінок запасів геотермальної енергії, пріоритетними районами для будівництва є Керченський півострів, Прикарпаття (Львівська обл.), окремі родовища в Харківській, Полтавській та Донецькій областях.
Виходячи з технічних можливостей геоТЕС та обмежень з екологічних та економічних причин, розвиток геотермальної електроенергетики вбачається оптимальним за такими пріоритетними напрямками:
створення достатньо великих геоТЕС на базі високотемпературних геотермальних родовищ із температурою більше ніж 150°С та з одиничною потужністю блоків 10-50 МВт;
розвиток мережі малих геоТЕС з одиничною потужністю 50-5000 кВт;
створення комбінованих електростанцій з використанням як теплоти геотермальних вод, так і теплоти, отриманої внаслідок спалювання органічних видів палива (нафти, газу, вугілля);
створення комбінованих електротехнологічних вузлів для отримання електроенергії, теплоти та цінних компонентів, які містяться в геотермальних теплоносіях.
Концепція розвитку геотермальної електроенергетики України припускає наявність трьох тимчасових етапів.
На першому етапі, в період 1991-1995 pp., проведено широкомасштабні дослідження та пошукові геологорозвідувальні роботи в різних районах України (в Криму, на Тарханкутському півострові і в Прикарпатті, в районі м. Мостиська) з метою отримання інформації про геологічні об'єкти, придатні для отримання теплової енергії для геоТЕС. Проведено обробку технологій видобутку геотермальної теплоти та її перетворення на електроенергію, а також щодо створення блочних міні-геоТЕС.
На другому етапі, протягом 1996-2000 pp., проводяться дослідження на експериментальних геоТЕС, розширено пошукові геологорозвідувальні роботи, має бути створена Кримська дослідно-промислова геоТЕС з потужністю 25 МВт і Мостиська дослідно-промислова геоТЕС із потужністю до 10 МВт. Крім того, має бути розгорнуто будівництво серії міні-геоТЕС з потужністю 50-5000 кВт. Сумарна потужність передбачених для будівництва геоТЕС із впровадженням до 2000 p. становитиме 60 МВт.
На третьому етапі, в період 2000-2005 pp., передбачається завершити створення дослідно-промислової Тарханкутської геоТЕС у Криму з потужністю 100 МВт і Мостиської геоТЕС з потужністю 50 МВт. Одночасно передбачається завершити експериментальні дослідження на 3-4 майданчиках нових промислових геоТЕС із захистом та утвердженням запасів геотермальної теплоти.
На декількох розвіданих площах передбачається збудувати перші черги промислових геоТЕС по 25 МВт кожна із перспективою доведення їхніх потужностей у майбутньому до 500-і 000 МВт. Сумарна потужність геоТЕС на кінець 2005 р. може становити 270-280 МВт.
Геотермальні електростанції порівняно з тепловими станціями на викопному паливі викидають дуже мало сірки і зовсім не викидають оксидів азоту. Викиди СO2 на 1 МВт·год виробленої енергії на сучасних геотермальних станціях мінімальні або їх немає взагалі. Типова геотермальна станція виробляє близько 0,45 кг СO;2 на 1 МВт·год, електростанція на природному газі - 464 кг, електростанція на нафті - 720 кг, а вугільна - 819 кг.
Під геотермальні установки потрібні зовсім невеликі ділянки землі, набагато менші, ніж під енергетичні установки інших типів, їх можна установлювати практично на будь-яких землях, зокрема й на сільськогосподарських угіддях. До того ж буріння геотермальних свердловин набагато менше впливає на навколишнє середовище, ніж розробка будь-яких інших джерел енергії. Ландшафт навколо геотермальної установки не псують ні шахти, ні тунелі, ні купи відходів.
Технологія безпечного використання геотермальних вод високорозвинена й надійно перевірена часом. Стічну воду з електростанції подають назад у резервуар, що дозволяє зберегти в ньому тиск, під дією якого гаряча вода подається з виробничої свердловини. Технологічна геотермальна вода постійно ізольована від підземних вод трубопроводом, умонтованим у свердловину.