Основные достоинства и недостатки геотермальной энергии

Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена: истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также с существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу. Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере учитывать ее достоинства и недостатки.

Главным достоинством геотермальной энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры) для нужд горячего водо- и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Тем самым использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем:

· Обеспечение устойчивого тепло- и электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.).

· Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т.п.

· Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.

При этом в вулканических регионах планеты высокотемпературное тепло, нагревающее геотермальную воду до значений температур, превышающих 140–150°С, экономически наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100°С, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл.1.

Таблица 1

Обратим внимание на то, что эти рекомендации по мере развития и совершенствования геотермальных технологий пересматриваются в сторону использования для производства электроэнергии геотермальных вод с все более низкими температурами. Так, разработанные в настоящее время комбинированные схемы использования геотермальных источников позволяют использовать для производства электроэнергии теплоносители с начальными температурами 70–80°С, что значительно ниже рекомендуемых в табл.1 температур (150°С и выше). В частности, в Санкт-Петербургском политехническом институте созданы гидропаровые турбины, использование которых на ГеоТЭС позволяет увеличивать полезную мощность двухконтурных систем (второй контур – водный пар) в диапазоне температур 20–200°С в среднем на 22 %.

Значительно повышается эффективность применения термальных вод при их комплексном использовании. При этом в разных технологических процессах можно достичь наиболее полной реализации теплового потенциала воды, в том числе и остаточного, а также получить содержащиеся в термальной воде ценные компоненты (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и многие другие) для их промышленного использования.

Основной недостаток геотермальной энергии – необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Однако в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. К тому же следует иметь ввиду, что геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80ºС, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с эти ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом и первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится. [3, 6, 7].

Россия

Впервые в мире неводяные пары как тепловой носитель применены на Паратунской ГеоТЭС в 1967 году.^[9]

По данным института вулканологии Дальневосточного Отделения Российской Академии наук, геотермальные ресурсы Камчатки оцениваются в 5000 МВт.^[10] Российский потенциал реализован только в размере не многим более 80 МВт установленной мощности (2009) и около 450 млн. кВт·ч годовой выработки (2009):

• Мутновское месторождение:
• Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт·э (2011) и выработкой 69,5 млн кВт·ч/год (2010) (81,4 в 2004),
• Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 50 МВт·э (2011) и выработкой 360,5 млн кВт·ч/год (2010) (на 2006 год ведётся строительство, увеличивающее мощность до 80 МВт·э и выработку до 577 млн кВт·ч)
• Паужетское месторождение возле вулканов Кошелева и Камбального — Паужетская ГеоТЭС мощностью 14,5 МВт·э (2011) и выработкой 43,1 млн кВт·ч (на 2010 год проводится реконструкция с увеличением мощности до 18 МВт·э).
• Месторождение на острове Итуруп (Курилы): Океанская ГеоТЭС установленой мощностью 2,5 МВт·э (2009). Существует проект мощностью 34,5 МВт и годовой выработкой 107 млн кВт·ч.
• Кунаширское месторождение (Курилы): Менделеевская ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт·э (2009).

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

В Краснодарском крае эксплуатируется 12 геотермальных месторождений.^[11]

Расходы на исследования и разработку (бурение) геотермальных полей составляют до 50% всей стоимости ГеоТЭС, и поэтому стоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГеоЭС, довольно значительна. Так, стоимость всей опытно-промышленной (ОП) Верхнее-Мутновской ГеоЭС [мощность 12(3×4) МВт] составила около 300 млн. руб. Однако отсутствие транспортных расходов на топливо, возобновляемость геотермальной энергии и экологическая чистота производства электроэнергии и тепла позволяют геотермальной энергетике успешно конкурировать на энергетическом рынке и в некоторых случаях производить более дешёвую электроэнергию и тепло, чем на традиционных КЭС и ТЭЦ. Для удалённых районов (Камчатка, Курильские острова) ГеоЭС име-ют безусловное преимущество перед ТЭЦ и дизельными станциями, работающими на привозном топливе.

Согласно оценке Мирового Энергетического Совета из всех возобновляющих источников энергии самая низкая цена за 1кВт·ч у ГеоЭС (смотри таблицу).

Доклад на тему «Перспективы развития геотермальной энергетики в России» был сделан в НИЛ ВИЭ 21 октября 2011 года.

Докладчик — Михаил Хуторской, заместитель директора Геологического института РАН, академик Российской академии естественных наук.

Ранее в тех же стенах был сделан доклад о петротермальной энергетике. Поскольку петротермальная энергетика — одно из двух направлений геотермальной энергетики (другое — более известная гидротермальная), и те, кто её развивает, находятся практически в одной команде, темы и содержание этих докладов в значительной степени пересекались.

Подробнее с информацией, цифрами и фактами, приведёнными в докладе Михаила Давыдовича, можно ознакомиться в его презентации, здесь же обозначим основные моменты.

Докладчик даёт весьма пессимистичные оценки перспективам развития геотермальной энергетики в России в ближайшие несколько десятков лет. На данный момент для того, чтобы масштабно задействовать этот ресурс, недостаточно стимулов, и неслучайно, по его словам, иностранные специалисты по альтернативной энергетике отказались от предложения работать в Сколково по этой тематике. Вероятно, по-настоящему востребованной альтернативная (в т.ч. геотермальная) энергетика в России станет уже в 2030-2040-е годы.

На данный момент в России электростанции, работающие на геотермальной (гидротермальной) энергии работают в одном регионе — на Камчатке:

• Паужетская ГеоТЭС мощностью 5 МВт, построенная в 1967 году;
• Мутновская ГеоТЭС мощностью 50 МВт, введённая в эксплуатацию в 2000 году;
• Верхне-мутновская ГеоТЭС мощностью 12 МВт, работающая с 2001 года.

Есть планы развития гидротермальной энергетики на Курильских островах.

Опыт использования геотермальной энергии в качестве источника тепла несколько шире. Здесь лидерство принадлежит Северному Кавказу, прежде всего — Краснодарскому краю. Так, город Лабинск полностью отапливается за счёт геотермальных вод. Отработанная вода при этом закачивается обратно в пласт.

Посёлок и совхоз Мостовской, также в Краснодарском крае, уже давно широко использует геотермальную энергию. Всё началось с бурения скважины для добычи и последующего разлива минеральной воды. Однако, когда прошли чуть более 1 км, где температура глубинных вод составила 70 градусов, поняли, что использовать эту воду можно и по-другому.

В результате она пошла на фермы, в теплицы для обогрева; новые источники энергии позволили создать и новые промышленные предприятия.

Благосостояние жителей посёлка резко выросло — были построены новые жилые дома, почти на порядок выросли доходы.

Совхоз резко выделился на фоне окрестных населённых пунктов и хозяйств.

В 1980-е по ряду причин, в том числе — политического характера, дальнейшее развитие несколько заглохло; восстановление производственных мощностей и уровня жизни началось уже в конце 1990-х.

Геотермальная энергия для обогрева жилья широко применялась и в других регионах Северного Кавказа, в частности, в Дагестане и Чечне, ещё в довоенное время. Сейчас здесь также наблюдается упадок.

Всего в России можно выделить три основные зоны, в зависимости от типа и возможностей использования геотермальной энергии:

1. Камчатка и Курилы — наиболее «горячие»точки;
2. Северный Кавказ и зона, прилегающая к Байкалу, где возможно использование глубинных вод для теплоснабжения;
3. Потенциально обширная территория, охватывающая 2/3 России, где возможно использование низкопотенциальной энергии с помощью тепловых насосов.

Принципом теплового насоса, используемым в большом масштабе, можно назвать и петротермальную энергетику, использующую энергию фонового теплового потока, исходящего из недр Земли.

Её потенциал колоссален. Он примерно в 100 раз больше теплового потенциала гидротермальных систем, а количество выделяемого тепла, эквивалентное 34х10 ⁹ млрдтонн условного топлива в год, могло бы обеспечивать энергией все электростанции мира в течение 40 млн лет.

В настоящее время лидер в создании т.наз. петротермальных циркуляционных систем (ПЦС) — Австралия, кроме того, это направление мощно развивается в США, Швейцарии, Великобритании, Японии.

В России работы по развитию петротермальной энергетики находятся пока на экспериментальной стадии (подробнее — в материале, посвящённым непосредственно петротермальной энергетике). В значительной степени это связано с низкой заинтересованностью властных структур в нашей стране, продолжающих уповать, главным образом, на нефть и газ.

Более того, если до недавних пор такие проекты осуществлялись, в основном, в регионах, где имеются горячие геотермальные воды, то сегодня всё чаще встаёт вопрос о таких технологиях, которые позволили бы использовать заключённое в недрах Земли тепло повсеместно. Идея одной из таких технологий была впервые выдвинута американскими учёными ещё в начале 70-х годов. Эта технология получила название «hot dry rock», то есть «горячие сухие горные породы». В её основу положено давно известное явление: по мере углубления в недра Земли температура растёт – примерно на 3 градуса каждые 100 метров. Американские геофизики предложили пробурить на глубину в 4-6 километров 2 скважины с таким расчётом, чтобы через одну закачивать внутрь холодную воду, а через другую отводить разогретый пар – ведь температура на такой глубине достигает 150-200 градусов Цельсия. Пар может быть использован как для производства электроэнергии, так и для отопления. Буркхард Заннер поясняет:

Технология «горячих сухих горных пород» как раз и создавалась для того, чтобы геотермальную энергию можно было использовать вне этих особых зон – зон вулканической активности, горячих источников, гейзеров и так далее. Сегодня эта технология испытывается в рамках экспериментального проекта, реализуемого совместно немецкими, французскими и британскими учёными в Эльзасе, в районе Сульца, среди садов и виноградников. Испытания идут вполне успешно: там уже удалось получить геотермальный пар, и мы рассчитываем, что через два-три года построенная на этом принципе электростанция даст первый ток.

Причём стоить этот ток будет гораздо дешевле, чем тот, что производится, например, солнечными батареями. Проектная мощность электростанции в Эльзасе – 25 мегаватт. Свою главную задачу учёные видят в том, чтобы заложить основы серийного строительства таких объектов. Буркхард Заннер оценивает перспективы так:

Что касается производства электроэнергии, то наша цель – к 2050-му году довести долю геотермальных технологий до 25-ти процентов.

6.15 ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮ-

ЩУЮ СРЕДУ

Несмотря на то, что нетрадиционная энергети-

ка, использующая возобновляемые источники

энергии, в частности геотермальная энергетика,

выгодно отличается экологической чистотой, су-

ществуют определенные проблемы воздействия

геотермальной энергетики на окружающую среду.

Каждый способ производства и преобразова-

ния энергии оказывает влияние на окружающую

среду и несет определенные риски.

Геотермальные источники нередко сопровож-

даются выбросами тяжелых металлов, которые

могут попасть в грунтовые воды.

Наличие в геотермальном паре экологически и

технически вредных солей и газов делает первос-

тепенной задачу подготовки пара необходимой

кондиции для подачи его в турбину.

И все же важнейшим экологическим преимуще-

ством геотермальных станций по сравнению с тра-

диционными электростанциями является значи-

тельное снижение выбросов ответственного за

"парниковый эффект" углерода (СО2) на традици-

онных ГеоЭС и полное исключение выбросов СО2

на современных ГеоЭС, использующих техноло-

гию обратной закачки отработавшего геотермаль-

ного теплоносителя в георезервуар.