ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ  ЭНЕРГЕТИКА

Скотарев  Иван  Николаевич

студент  2  курса,  кафедра  физики  СтГАУ,  г.  Ставрополь

E-mail: 

Хащенко  Андрей  Александрович

научный  руководитель,  кан.  физ.-мат.  наук,  доцент  СтГАУ,  г.  Ставрополь

Сейчас  человечество  не  сильно  задумывается,  что  оно  оставит  будущим  поколениям.  Люди  бездумно  выкачивают  и  выкапывают  полезные  ископаемые.  С  каждым  годом  растёт  население  планеты,  а  следовательно  увеличивается  и  потребность  в  ещё  в  большем  количестве  энергоносителей  таких  как  газ,  нефть  и  уголь.  Продолжаться  это  долго  не  может.  Поэтому  сейчас  помимо  развития  атомной  промышленности  становится  актуальным  использование  альтернативных  источников  энергии.  Одним  из  перспективных  направлений  в  этой  области  является  геотермальная  энергетика.

Большая  часть  поверхности  нашей  планеты  обладает  значительными  запасами  геотермальной  энергии  вследствие  значительной  геологической  деятельности:  активной  вулканической  деятельности  в  начальные  периоды  развития  нашей  планеты  а  также  и  по  сей  день,  радиоактивного  распада,  тектонических  сдвигов  и  наличия  участков  магмы  в  земной  коре.  В  некоторых  местах  нашей  планеты  скапливается  особенно  много  геотермальной  энергии.  Это,  например,  различные  долины  гейзеров,  вулканы,  подземные  скопления  магмы,  которые  в  свою  очередь  нагревают  верхние  породы. 

Говоря  простым  языком  геотермальная  энергия  —  это  энергия  внутренних  областей  Земли.  Например  извержение  вулканов  наглядно  свидетельствует  об  огромной  температуре  внутри  планеты.  Эта  температура  постепенно  снижается  от  горячего  внутреннего  ядра  до  поверхности  Земли  (рисунок  1). 

Рисунок  1.  Температура  в  различных  слоях  земли

Геотермальная  энергия  всегда  привлекала  людей  возможностями  своего  полезного  применения.  Ведь  человек  в  процессе  своего  развития  придумывал  множество  полезных  технологий  и  во  всём  искал  выгоду  и  прибыль.  Так  и  произошло  с  углём,  нефтью,  газом,  торфом  и  т.  д.

Например,  в  некоторых  географических  районах  использование  геотермальных  источников  может  существенно  увеличить  выработку  энергии,  так  как  геотермальные  электростанции  (ГеоТЭС)  являются  одним  из  наиболее  дешевых  альтернативных  источников  энергии,  потому  что  в  верхнем  трехкилометровом  слое  Земли  содержится  свыше  1020  Дж  теплоты,  пригодной  для  выработки  электроэнергии  [5].  Сама  природа  дает  человеку  в  руки  уникальный  источник  энергетики,  необходимо  только  его  использовать.

Всего  сейчас  насчитывается  5  типов  источников  геотермальной  энергии:

1.  Месторождения  геотермального  сухого  пара. 

2.  Источники  влажного  пара.  (смеси  горячей  воды  и  пара). 

3.  Месторождения  геотермальной  воды  (содержат  горячую  воду  или  пар  и  воду). 

4.  Сухие  горячие  скальные  породы,  разогретые  магмой. 

5.  Магма  (расплавленные  горные  породы  нагретые  до  1300  °С).

Магма  передает  свое  тепло  горным  породам,  причем  с  ростом  глубины  их  температура  повышается.  По  имеющимся  данным,  температура  горных  пород  повышается  в  среднем  на  1  °С  на  каждые  33  м  глубины  (геотермическая  ступень).  В  мире  имеется  большое  разнообразие  температурных  условий  геотермальных  источников  энергии,  которые  будут  определять  технические  средства  для  ее  использования  [5].

Геотермальная  энергия  может  быть  использована  двумя  основными  способами  -  для  выработки  электроэнергии  и  для  обогрева  различных  объектов.  Геотермальное  тепло  можно  преобразовывать  в  электричество,  если  температура  теплоносителя  достигает  более  150  °С.  Как  раз  использование  внутренних  областей  Земли  для  отопления  является  наиболее  выгодным  и  эффективным  а  так  же  очень  доступным.  Прямое  геотермальное  тепло  в  зависимости  от  температуры  может  использоваться  для  отопления  зданий,  теплиц,  бассейнов,  сушки  сельскохозяйственных  и  рыбопродуктов,  выпаривания  растворов,  выращивания  рыбы,  грибов  и  т.  д.  [1]. 

Все  существующие  на  сегодняшний  день  геотермальные  установки  делятся  на  три  типа: 

1.  станции,  основой  для  работы  которых  являются  месторождения  сухого  пара  —  это  прямая  схема.

Электростанции  на  сухом  пару  появились  раньше  всех.  Для  того  чтобы  получить  требующуюся  энергию  пар  пропускается  через  турбину  или  генератор  (рисунок  2). 

Рисунок  2.  Геотермальная  электростанция  прямой  схемы

2.  станции  с  сепаратором,  использующие  месторождения  горячей  воды  под  давлением.  Иногда  для  этого  используется  насос,  который  обеспечивает  нужный  объём  поступающего  энергоносителя  —  непрямая  схема.

Это  наиболее  распространенный  тип  геотермальных  станций  в  мире.  Здесь  воды  закачиваются  под  высоким  давлением  в  генераторные  установки.  Происходит  накачивание  гидротермального  раствора  в  испаритель  для  снижения  давления,  в  результате  идёт  испарение  части  раствора.  Далее  образовывается  пар,  который  и  заставляет  работать  турбину.  Оставшаяся  жидкость  также  может  приносить  пользу.  Обычно  её  пропускают  ещё  через  один  испаритель  и  получить  дополнительную  мощность  (рисунок  3). 

Рисунок  3.  Геотермальная  электростанция  непрямой  схемы

Они  характеризуются  отсутствием  взаимодействия  генератора  или  турбины  с  паром  или  водой.  Принцип  их  действия  основан  на  разумном  применении  подземной  воды  умеренной  температуры.

Обычно  температура  должна  быть  ниже  двухсот  градусов.  Сам  бинарный  цикл  заключается  в  использовании  двух  типов  вод  —  горячей  и  умеренной.  Оба  потока  пропускаются  через  теплообменник.  Более  горячая  жидкость  выпаривает  более  холодную,  и  образуемые  вследствие  этого  процесса  пары  приводят  в  действие  турбины  [2],  [3],  [6]. 

Рисунок  4.  Схема  геотермальной  электростанци  с  бинарным  циклом

Что  касается  нашей  страны  геотермальная  энергия  занимает  первое  место  по  потенциальным  возможностям  ее  использования  из-за  уникального  ландшафта  и  природных  условий.  Найденные  запасы  геотермальных  вод  с  температурой  от  40  до  200  °С  и  глубиной  залегания  до  3500  м  на  её  территории  могут  обеспечить  получение  примерно  14  млн.  м3  горячей  воды  в  сутки.  Большие  запасы  подземных  термальных  вод  находятся  в  Дагестане,  Северной  Осетии,  Чечено-Ингушетии,  Кабардино-Балкарии,  Закавказье,  Ставропольском  и  Краснодарском  краях,  Казахстане,  на  Камчатке  и  в  ряде  других  районов  России.  Например,  в  Дагестане  уже  длительное  время  термальные  воды  используются  для  теплоснабжения. 

Первая  геотермальная  электростанция  была  построена  в  1966  году  на  Паужетском  месторождении  на  полуострове  Камчатка  с  целью  электроснабжения  окрестных  поселков  и  рыбоперерабатывающих  предприятий,  что  способствовало  местному  развитию.  Местная  геотермальная  система  может  обеспечить  энергией  электростанции  мощностью  до  250—350  МВт.  Но  данный  потенциал  используется  только  на  четверть  [4]. 

Территория  Курильских  островов  обладает  уникальными  и  одновременно  сложным  ландшафтом.  Электроснабжение  находящихся  там  городов  обходится  большими  сложностями:  необходимость  доставки  на  острова  средств  существования  морским  или  воздушным  путём,  что  достаточно  затратно  и  занимает  много  времени.  Геотермальные  ресурсы  островов  на  данный  момент  позволяют  получать  230  МВт  электроэнергии,  что  может  обеспечить  все  потребности  региона  в  энергетике,  тепле,  горячем  водоснабжении. 

На  острове  Итуруп  найдены  ресурсы  двухфазного  геотермального  теплоносителя,  мощности  которого  достаточно  для  удовлетворения  энергопотребностей  всего  острова.  На  южном  острове  Кунашире  действует  ГеоЭс  2,6  МВт,  которая  используются  для  получения  электроэнергии  и  теплоснабжения  г.  Южно-Курильска.  Планируются  строительство  еще  нескольких  ГеоЭс  суммарной  мощностью  12—17  МВт  [4]. 

Наиболее  перспективными  регионами  для  применения  геотермальных  источников  в  России  являются  юг  России  и  Дальний  Восток.  Огромный  потенциал  геотермальной  энергетики  имеют  Кавказ,  Ставрополье,  Краснодарский  край. 

Использование  геотермальных  вод  в  Центральной  части  России  требует  больших  затрат  из-за  глубокого  залегания  термальных  вод. 

В  Калининградской  области  в  планах  осуществление  опытного  проекта  геотермального  тепло-  и  электроснабжения  города  Светлый  на  базе  бинарной  ГеоЭс  мощностью  4  МВт.

Геотермальная  энергетика  России  ориентирована  как  на  строительство  крупных  объектов,  так  и  на  использование  геотермальной  энергии  для  отдельных  домов,  школ,  больниц,  частных  магазинов  и  других  объектов  с  использованием  геотермальных  циркуляционных  систем.

В  Ставропольском  крае  на  Каясулинском  месторождении  начато  и  приостановлено  строительство  дорогостоящей  опытной  Ставропольской  ГеоТЭС  мощностью  3  МВт.

В  1999  г.  была  пущена  в  эксплуатацию  Верхне-Мутновская  ГеоЭС  (рисунок  5). 

Рисунок  5.  Верхне-Мутновская  ГеоЭС

Она  обладает  мощностью  12  МВт  (3х4  МВт)  и  является  опытно-промышленной  очередью  Мутновской  ГеоЭС  проектной  мощностью  200  МВт,  создаваемой  для  электроснабжения  промышленного  района  Петропавловск-Камчатска. 

Но  несмотря  на  большие  плюсы  в  этом  направлении  присутствует  и  недостатки: 

1.  Главный  из  них  заключается  в  необходимости  закачки  отработанной  воды  обратно  в  подземный  водоносный  горизонт.  В  термальных  водах  содержится  большое  количество  солей  различных  токсичных  металлов  (бора,  свинца,  цинка,  кадмия,  мышьяка)  и  химических  соединений  (аммиака,  фенолов),  что  делает  невозможным  сброс  этих  вод  в  природные  водные  системы,  расположенные  на  поверхности. 

2.  Иногда  действующая  геотермальная  электростанция  может  приостановиться  в  результате  естественных  изменений  в  земной  коре.

3.  Найти  подходящее  место  для  строительства  геотермальной  электростанции  и  получить  разрешение  местных  властей  и  согласие  жителей  на  ее  возведение  может  быть  проблематичным.

4.  Строительство  ГеоЭС  может  отрицательно  повлиять  на  землю  стабильности  в  окружающем  регионе.

Большинство  этих  недостатков  незначительны  и  в  полнее  решаемы  [1].

Сегодня  в  мире  люди  не  задумываются  об  последствиях  своих  решений.  Ведь  что  они  будут  делать  если  закончатся  нефть,  газ  и  угол?  Люди  ведь  привыкли  жить  в  комфорте.  Топить  дома  дровами  они  долго  не  смогут,  потому  что  большому  населению  потребуется  огромнейшее  количество  древесины,  что  само  собой  приведёт  масштабной  вырубке  лесов  и  оставит  мир  без  кислорода.  Поэтому  для  того  чтобы  этого  не  произошло  необходимо  использовать  доступные  нам  ресурсы  экономно,  но  с  максимальной  эффективностью.  Как  раз  одним  из  способов  решения  этой  проблемы  является  развитие  геотермальной  энергетики.  Конечно  она  имеет  свои  плюсы  и  минусы,  но  её  развитие  очень  облегчит  дальнейшее  существование  человечества  и  сыграет  большую  роль  в  дальнейшем  его  развитии. 

Сейчас  это  направление  не  сильно  популярно,  потому  что  в  мире  господствует  нефтяная  и  газовая  промышленность  и  крупные  компании  не  спешат  вкладывать  средства  в  развитие  столь  необходимой  отрасли  промышленности.  Поэтому  для  дальнейшего  прогрессирования  геотермальной  энергетики  необходимы  инвестиции  и  поддержка  государства,  без  которой  осуществить  что  либо  в  масштаб  всей  страны  просто  невозможно.  Введение  геотермальной  энергетики  в  энергобаланс  страны  позволит: 

1.  повысить  энергетическую  безопасность,  с  другой  —  снизить  вредное  воздействие  на  экологическую  обстановку  по  сравнению  с  традиционными  источниками. 

2.  развить  экономику,  потому  что  высвободившиеся  денежные  средства  можно  будет  вкладывать  в  другие  отрасли  промышленности,  социальное  развитие  государства  и  т.  д.

В  последнее  десятилетие  использование  нетрадиционных  возобновляемых  источников  энергии  переживает  в  мире  настоящий  бум.  Масштаб  применения  этих  источников  возрос  в  несколько  раз.  Она  способна  радикально  и  на  наиболее  экономической  основе  решить  проблему  энергоснабжения  указанных  районов,  которые  пользуются  дорогим  привозным  топливом  и  находятся  на  грани  энергетического  кризиса,  улучшить  социальное  положение  населения  этих  районов  и  т.  д.  Как  раз  это  мы  и  наблюдаем  в  странах  Западной  Европы  (Германия,  Франция,  Великобритания),  Северной  Европы  (Норвегия,  Швеция,  Финляндия,  Исландия,  Дания).  Это  объясняется  тем  что  они  обладают  высоким  экономическим  развитием  и  очень  сильно  зависят  от  ископаемых  ресурсов  и  поэтому  главы  этих  государств  вместе  с  бизнесом  стараются  минимизировать  эту  зависимость.  В  частности,  странам  Северной  Европы  развитию  геотермальной  энергетики  благоприятствует  наличие  большого  количества  гейзеров  и  вулканов.  Ведь  не  зря  Исландию  называют  страной  вулканов  и  гейзеров. 

Сейчас  человечество  начинает  понимать  всю  важность  это  отрасли  и  старается  по  мере  возможностей  её  развивать.  Применение  большого  ряда  самых  разнообразных  технологий  даёт  возможность  снизить  потребление  энергии  на  40—60  %  и  одновременно  обеспечить  реальное  экономическое  развитие.  А  оставшиеся  потребности  в  электроэнергии  и  тепле  можно  закрыть  за  счёт  более  эффективного  её  производства,  за  счёт  восстановления,  за  счёт  объединения  выработки  тепловой  и  электрической  энергий,  а  так  же  за  счёт  использования  возобновляемых  ресурсов,  что  даёт  возможность  отказаться  от  некоторых  видов  электростанций  и  снижает  эмиссию  углекислого  газа  на  примерно  на  80  %. 

Список  литературы:

1.Баева  А.Г.,  Москвичёва    В.Н.  Геотермальная  энергия:  проблемы,  ресурсы,  использование:  изд.  М.:  СО  АН  СССР,  Институт  теплофизики,  1979.  —  350  с.

2.Берман  Э.,  Маврицкий  Б.Ф.  Геотермальная  энергия:  изд.  М.:  Мир,  1978  —  416  стр.

3.Геотермальная  энергия.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа  —  URL:  http://ustoj.com/Energy_5.htm  (дата  обращения  29.08.2013).

4.Геотермальная  энергетика  России.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа  —  URL:  http://www.gisee.ru/articles/geothermic-energy/24511/  (дата  обращения  07.09.2013).

5.Дворов  И.М.  Глубинное  тепло  Земли:  изд.  М.:  Наука,  1972.  —  208  с.

6.Энергетика.  Материал  из  Википедии  —  свободной  энциклопедии.  [Электронный  ресурс]  —  Режим  доступа  —  URL:  http://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_энергетика  (дата  обращения  07.09.2013).