Основними джерелами теплової енергії Землі є [ , ]:

• тепло-гравітаційної диференціації;
• радіогенне тепло;
• тепло приливного тертя;
• акреційне тепло;
• тепло тертя, що виділяється за рахунок диференціального обертання внутрішнього ядра щодо зовнішнього, зовнішнього ядра щодо мантії та окремих шарів усередині зовнішнього ядра.

До теперішнього часу кількісно оцінені лише перші чотири джерела. У нашій країні основна заслуга у цьому належить О.Г. Сорохтінуі С.А. Ушакову. Нижченаведені дані переважно базуються на розрахунках цих учених.

Тепло гравітаційної диференціації Землі

Однією з найважливіших закономірностей розвитку Землі є диференціаціяїї речовини, яка продовжується і в даний час. За рахунок цієї диференціації відбулося формування ядра та земної кори, зміна складу первинної мантіїпри цьому поділ спочатку однорідної речовини на фракції різної щільності супроводжується виділенням теплової енергії, а максимальне тепловиділення відбувається при поділі земної речовини на щільне та важке ядрота залишкову легшусилікатну оболонку - земну мантію. В даний час основна частина цього тепла виділяється на кордоні мантія – ядро.

Енергії гравітаційної диференціації Земліза час її існування виділилося - 1,46 * 10 38 ерг (1,46 * 10 31 Дж). Ця енергіяздебільшого спочатку переходить у кінетичну енергіюконвективних течій мантійної речовини, а потім тепло; інша її частина витрачається на додаткове стиск земних надр, що виникає завдяки концентрації щільних фаз у центральній частині Землі З 1,46 * 10 38 ергенергії гравітаційної диференціації Землі на її додатковий стиск пішло 0,23 * 10 38 ерг (0,23 * 10 31 Дж), а у формі тепла виділилося 1,23 * 10 38 ерг (1,23 * 10 31 Дж). Величина цієї теплової складової значно перевищує сумарне виділення Землі інших видів енергії. Розподіл у часі загальної величини та швидкості виділення теплової компоненти гравітаційної енергії відбито на Рис. 3.6 .

Рис. 3.6.

Сучасний рівень генерації тепла при гравітаційній диференціації Землі. 3*10 20 ерг/с (3*10 13 Вт), що від величини сучасного теплового потоку, що проходить через поверхню планети в ( 4,2-4,3) * 10 20 ерг/с ((4,2-4,3) * 10 13 Вт), складає ~ 70% .

Радіогенне тепло

Обумовлюється радіоактивним розпадом нестабільних ізотопів. Найбільш енергоємними та довгоживучими ( з періодом напіврозпаду, порівнянним з віком Землі) ізотопи 238 U, 235 U, 232 Thі 40 K. Основний їх обсяг зосереджений у континентальної кори. Сучасний рівень генерації радіогенного тепла:

• з американського геофізика В.Вак'є - 1,14 * 10 20 ерг/с (1,14 * 10 13 Вт) ,
• з російських геофізиків О.Г. Сорохтінуі С.А. Ушакову - 1,26 * 10 20 ерг/с(1,26 * 10 13 Вт) .

Від величини сучасного теплового потоку це становить ~27-30%.

Із загальної величини тепла радіоактивного розпаду 1,26 * 10 20 ерг/с (1,26 * 10 13 Вт) у земній корі виділяється - 0,91 * 10 20 ерг/с, а в мантії - 0,35 * 10 20 ерг/с. Звідси випливає, що частка мантійного радіогенного тепла вбирається у 10 % від сумарних сучасних тепловтрат Землі, і вона може бути основним джерелом енергії активних тектоно-магматичних процесів, глибина зародження яких може досягати 2900 км; а радіогенне тепло, що виділяється в корі, відносно швидко втрачається через земну поверхню і практично не бере участі в розігріві глибинних надр планети.

У минулі геологічні епохи величина радіогенного тепла, що виділяється в мантії, мала бути вищою. Її оцінки на момент утворення Землі ( 4,6 млрд. років тому) дають - 6,95 * 10 20 ерг/с. З цього часу відбувається неухильне зниження швидкості виділення радіогенної енергії. 3.7 ).

За весь час у Землі виділилося ~4,27*10 37 ерг(4,27*10 30 Дж) теплової енергії радіоактивного розпаду, що майже втричі нижче від загальної величини тепла гравітаційної диференціації.

Тепло приливного тертя

Виділяється при гравітаційному взаємодії Землі насамперед із Місяцем, як найближчим великим космічним тілом. Завдяки взаємному гравітаційному тяжінню у їхніх тілах виникають приливні деформації. здуттяабо горби. Приливні горби планет своїм додатковим тяжінням впливають з їхньої рух. Так, тяжіння обох приливних горбів Землі створює пару сил, що діють як на Землю, так і на Місяць. Однак вплив ближнього, зверненого до Місяця здуття, дещо сильніший, ніж далекого. У зв'язку з тим, що кутова швидкість обертання сучасної Землі ( 7,27 * 10 -5 з -1) перевищує орбітальну швидкість руху Місяця ( 2,66 * 10 -6 з -1), а речовина планет не є ідеально пружною, то приливні горби Землі хіба що захоплюються її обертанням уперед і помітно випереджають рух Місяця. Це призводить до того, що максимальні припливи Землі завжди наступають на її поверхні трохи пізніше. кульмінаціїМісяця, але в Землю і Місяць діє додатковий момент сил (Мал. 3.8 ) .

Абсолютні значення сил приливної взаємодії в системі Земля-Місяць зараз відносно невеликі і зумовлені ними приливні деформації літосфери можуть досягати лише кількох десятків сантиметрів, але вони призводять до поступового гальмування обертання Землі і, навпаки, до прискорення орбітального руху Місяця та її віддалення від Землі. Кінетична енергія руху земних приливних горбів перетворюється на теплову енергію, внаслідок внутрішнього тертя речовини в приливних горбах.

В даний час швидкість виділення приливної енергії по Г. Макдональдускладає ~0,25*10 20 ерг/с (0,25 * 10 13 Вт), причому основна її частина (близько 2/3) імовірно дисипує(розсіюється) у гідросфері. Отже, частка приливної енергії, викликаної взаємодією Землі з Місяцем і розсіюється в твердій Землі (насамперед в астеносфері), не перевищує 2 % повної теплової енергії, що генерується в її надрах; а частка сонячних припливів не перевищує 20 % від дії місячних припливів. Тому тверді припливи не грають тепер практично ніякої ролі в харчуванні тектонічних процесів енергією, але в окремих випадках можуть виступати як "спускові механізми", наприклад землетрусів.

Розмір приливної енергії прямо пов'язані з відстанню між космічними об'єктами. І якщо відстані між Землею і Сонцем передбачається якихось істотних змін у геологічному масштабі часу, то системі Земля-Луна цей параметр є змінної величиною. Незалежно від уявлень про практично всі дослідники визнають, що на ранніх стадіях розвитку Землі відстань до Місяця була істотно меншою за сучасний, у процесі ж планетного розвитку, на думку більшості вчених, вона поступово збільшується, а по Ю.М. Авсюкуця відстань зазнає довгоперіодичних змін у вигляді циклів "приходу - догляду" Місяця. Звідси виходить, що у минулі геологічні епохи роль приливного тепла у загальному тепловому балансі Землі була значної. У цілому нині, за весь час розвитку Землі у ній виділилося ~3,3*10 37 ерг (3,3*10 30 Дж) енергії приливного тепла (це за умови послідовного видалення Місяця від Землі). Зміна ж у часі швидкості виділення цього тепла представлена ​​Рис. 3.10 .

Більше половини загальної величини приливної енергії виділилося в катархеї (гадеї)) - 4,6-4,0 млрд. років тому, і в цей час тільки за рахунок цієї енергії Земля додатково могла прогрітися на ~500 0 С. Починаючи з пізнього архею місячні припливи вносили лише мізерно малий вплив на розвиток енергоємних ендогенних процесів .

Акреційне тепло

Це тепло, збережене Землею з її формування. В процесі акреції, яка тривала протягом кількох десятків мільйонів років, завдяки зіткненню планетезималейЗемля зазнала суттєвого розігріву. При цьому щодо величини цього розігріву немає єдиної думки. В даний час дослідники схиляються до того, що в процесі акреції Земля зазнала якщо не повного, то значного часткового плавлення, що призвело до початкової диференціації ПротоЗемлі на важке залізне ядро ​​і легку милию силікатну, і до формування "магматичного океану"на її поверхні або на невеликій глибині. Хоча ще до 1990-х років практично загальновизнаною вважалася модель відносно холодної первинної Землі, яка поступово розігрівалася за рахунок вищерозглянутих процесів, що супроводжувалися виділенням значної кількості теплової енергії.

Точна оцінка первинного акреційного тепла та її частки, що збереглася до теперішнього часу, пов'язана зі значними труднощами. за О.Г. Сорохтінуі С.А. Ушакову, що є прихильниками щодо холодної первинної Землі, величина енергії акреції, що перейшла в тепло, становить - 20,13 * 10 38 ерг (20,13 * 10 31 Дж). Цієї енергії за відсутності тепловтрат вистачило б для повного випаровуванняземної речовини, т.к. температура могла б піднятися до 30 000 0 С. Але процес акреції був відносно тривалим, а енергія ударів планетезималей виділялася лише в приповерхневих шарах Землі, що росте, і швидко губилася з тепловим випромінюванням, тому первинний розігрів планети не був великим. Величину цього теплового випромінювання, що йде паралельно з формуванням (аккрецією) Землі, зазначені автори оцінюють у 19,4*10 38 ерг (19,4*10 31 Дж) .

У сучасному енергетичному балансі Землі акреційне тепло, найімовірніше, відіграє незначну роль.

Ця енергія відноситься до альтернативних джерел. У наші дні все частіше згадують можливості отримання ресурсів, які дарує нам планета. Можна сказати, що ми живемо в епоху моди на відновлювану енергетику. Створюється безліч технічних рішень, планів, теорій у цій галузі.

Він знаходиться глибоко в земляних надрах і має властивості відновлення, тобто він нескінченний. Класичні ресурси, за даними вчених, починають закінчуватися, вичерпається нафта, вугілля, газ.

Несьявеллір ГеоТЕС, Ісландія

Тому можна поступово готуватися використовувати нові альтернативні методи видобутку енергії. Під земною корою знаходиться ядро. Його температура становить від 3000 до 6000 градусів. Переміщення літосферних плит демонструє його величезну силу. Вона проявляється у вигляді вулканічного виплескування магми. У надрах відбувається радіоактивний розпад, що спонукає іноді до таких природних катаклізмів.

Зазвичай магма нагріває поверхню, не виходячи за її межі. Так виходять гейзери чи теплі басейни води. Таким чином, можна використовувати фізичні процеси у потрібних цілях для людства.

Види джерел геотермальної енергії

Її прийнято розділяти на два види: гідротермальну та петротермальну енергію. Перший утворюється за рахунок теплих джерел, а другий тип – це різниця температур на поверхні та у глибині землі. Пояснюючи своїми словами, гідротермальне джерело складається з пари та гарячої води, а петротермальний захований глибоко під ґрунтом.

Карта потенціалу розвитку геотермальної енергетики у світі

Для петротермальної енергії необхідно пробурити дві свердловини, одну наповнити водою, після чого відбудеться процес ширяння, який вийде на поверхню. Існує три класи геотермальних районів:

• Геотермальний – розташований поблизу континентальних плит. Градієнт температури понад 80С/км. Як приклад, італійська комуна Лардерелло. Там розміщено електростанцію
• Напівтермальний – температура 40 – 80 С/км. Це природні водоносні пласти, що складаються з подрібнених порід. У деяких місцях Франції обігріваються у такий спосіб будівлі
• Нормальний – градієнт менше ніж 40 С/км. Представництво таких районів найбільш поширене

Вони є відмінним джерелом споживання. Вони знаходяться у гірській породі, на певній глибині. Докладніше розглянемо класифікацію:

• Епітермальні – температура від 50 до 90 с
• Мезотермальні – 100 – 120 с
• Гіпотермальні – понад 200 с

Ці види складаються з різного хімічного складу. Залежно від нього можна використовувати води для різних цілей. Наприклад, у виробництві електроенергії, теплозабезпеченні (теплові траси), сировинній базі.

Відео: Геотермальна енергія

Процес теплопостачання

Температура води 50-60 градусів, є оптимальною для опалення та гарячого постачання житлового масиву. Потреба в опалювальних системах залежить від географічного розташування та кліматичних умов. А потреб ГВС люди потребують постійно. Для цього процесу споруджуються ГТС (геотермальні теплові станції).

Якщо для класичного виробництва теплової енергії використовується котельня, що споживає тверде або газове паливо, то при даному виробництві використовується джерело гейзера. Технічний процес дуже простий, ті ж комунікації, теплові траси та обладнання. Достатньо пробурити свердловину, очистити її від газів, далі насосами направити в котельню, де підтримуватиметься температурний графік, а потім вона потрапить у теплотрасу.

Головна відмінність у тому, що немає необхідності використовувати паливний котлоагрегат. Це значно знижує собівартість теплової енергії. Взимку абоненти отримують тепло та гаряче водопостачання, а влітку лише ГВП.

Виробництво електроенергії

Гарячі джерела, гейзери є основним компонентами у виробництві електрики. Для цього застосовується кілька схем, споруджуються спеціальні електростанції. Пристрій ГТС:

• Бак ГВП
• Насос
• Газовідділювач
• Паросепаратор
• Генеруюча турбіна
• Конденсатор
• Підвищувальний насос
• Бак – охолоджувач

Як бачимо основним елементом схеми, є паровий перетворювач. Це дозволяє отримувати очищену пару, тому що в ній містяться кислоти, що руйнують обладнання турбін. Існує можливість застосування змішаної схеми в технологічному циклі, тобто вода та пара беруть участь у процесі. Рідина проходить усю стадію очищення від газів, як і пар.

Схема з бінарним джерелом

Робочим компонентом є рідина із низькою температурою кипіння. Термальна вода також бере участь у виробництві електроенергії та служить другорядною сировиною.

З її допомогою утворюється пара низькокиплячого джерела. ГТС з таким циклом роботи можуть бути повністю автоматизовані та не вимагати наявності обслуговуючого персоналу. Більш потужні станції використовують двоконтурну схему. Такий вид електростанцій дозволяє виходити потужність 10 МВт. Двоконтурна структура:

• Паровий генератор
• Турбіна
• Конденсатор
• Ежектор
• Поживний насос
• Економайзер
• Випарник

Практичне застосування

Великі запаси джерел у багато разів перевершують щорічне споживання енергії. Але лише мала частка використовується людством. Будівництво станцій датовано 1916 роком. В Італії було створено першу ГеоТЕС потужністю 7,5 МВт. Галузь активно розвивається у таких країнах як: США, Ісландія, Японія, Філіппіни, Італія.

Ведуться активні вивчення потенційних місць та зручніші методи добування. Рік у рік зростає виробнича потужність. Якщо брати до уваги економічний показник, то собівартість такої галузі дорівнює вугільним ТЕС. Ісландія практично повністю покриває комунально-житловий фонд ГТ-джерелом. 80% будинків для опалення використовують гарячу воду із свердловин. Експерти зі США стверджують, що за належного розвитку ГеоТЕС можуть виробити в 30 разів більше щорічного споживання. Якщо говорити про потенціал, то 39 країн світу зможуть повністю забезпечити себе електроенергією, якщо на 100 відсотків використовують надра землі.

Термін "геотермальна енергія" походить від грецького слова земля (гео) та тепловий (термальний). По суті, геотермальна енергія виходить із самої землі. Тепло від ядра землі, температура якого в середньому становить 3600 градусів за Цельсієм, випромінюється у бік поверхні планети.

Обігрів джерел і гейзерів під землею на глибині в кілька кілометрів може здійснюватися за допомогою спеціальних свердловин, через які надходить гаряча вода (або пара від неї) до поверхні, де вона може використовуватися безпосередньо як тепло або опосередковано для вироблення електроенергії шляхом включення турбін, що обертаються.

Оскільки вода під поверхнею землі постійно поповнюється, а ядро ​​Землі продовжуватиме виробляти тепло щодо людського життя нескінченно, геотермальна енергія, зрештою, чиста та відновлювана.

Методи збирання енергетичних ресурсів Землі

Сьогодні є три основні методи збирання геотермальної енергії: суха пара, гаряча вода та бінарний цикл. Процес із сухою парою прямо обертає приводи турбін генераторів електроенергії. Гаряча вода надходить знизу нагору, потім розпорошується в бак, щоб створити пару для приводу турбін. Ці два методи є найбільш поширеними, генеруючи сотні мегават електроенергії в США, Ісландії, Європі, Росії та інших країнах. Але розташування обмежене, оскільки ці заводи працюють лише в тектонічних регіонах, де легше отримати доступ до підігрітої води.

За технології бінарного циклу витягується на поверхню тепла (не обов'язково гаряча) вода і поєднують її з бутаном або пентаном, який має низьку температуру кипіння. Ця рідина перекачується через теплообмінник, де випаровується і прямує через турбіну перед рециркуляцією у систему. Технології бінарного циклу дає десятки мегават електроенергії в США: Каліфорнії, Неваді та на Гавайських островах.

Принцип отримання енергії

Недоліки одержання геотермальної енергії

На рівні корисності, геотермальні електростанції є дорогими, щоб побудувати та працювати. Для пошуку потрібного місця потрібне дороге обстеження свердловин без гарантії потрапляння в продуктивну гарячу підземну точку. Тим не менш, аналітики очікують збільшення цієї потужності майже вдвічі протягом наступних шести років.

Крім того, райони з високою температурою підземного джерела знаходяться в районах з активними геологохімічними вулканами. Ці «гарячі крапки» утворилися на межах тектонічних плит у місцях, де кора досить тонка. Тихоокеанський регіон часто називають як кільце вогню для багатьох вулканів, де є багато гарячих точок, у тому числі на Алясці, Каліфорнії та Орегоні. Невада має сотні гарячих точок, що охоплюють більшу частину північної частини США.

Є й інші сейсмічно активні райони. Землетруси та рух магми дозволяють воді циркулювати. У деяких місцях вода піднімається до поверхні і природні гарячі джерела і гейзери відбуваються, такі як Камчатка. Вода в гейзерах Камчатки досягає 95 °C.

Однією з проблем відкритої системи гейзерів є виділення деяких забруднювачів повітря. Сульфід водню – токсичний газ з дуже впізнаваним запахом «тухлого яйця» – невелика кількість миш'яку та мінералів, випущених із парою. Сіль також може становити екологічну проблему.

На геотермальних електростанціях розташованих у морі значна кількість солі, що заважає, накопичується в трубах. У замкнутих системах немає викидів та повертається вся рідина доведена до поверхні.

Економічний потенціал енергоресурсу

Сейсмічно активні точки є єдиними місцями, де можна знайти геотермальну енергію. Існує постійний запас корисного тепла для прямого нагріву на глибині скрізь від 4 метрів до декількох кілометрів нижче поверхні практично в будь-якому місці на землі. Навіть земля на власному задньому дворі чи місцевій школі має економічний потенціал у вигляді тепла, щоб видавати до будинку чи інших будівель.

Крім того, існує величезна кількість теплової енергії в сухих скельних утвореннях дуже глибоко під поверхнею (4 – 10 км).

Використання нової технології може розширити геотермальні системи, де люди зможуть використовувати це тепло для виробництва електроенергії у значно більшому масштабі, ніж звичайні технології. Перші демонстраційні проекти цього принципу отримання електрики показані у Сполучених Штатах та Австралії ще у 2013 році.

Якщо повний економічний потенціал геотермальних ресурсів може бути реалізований, це представлятиме величезне джерело електроенергії для виробничих потужностей. Вчені припускають, що звичайні геотермальні джерела мають потенціал 38000 МВт, який може виробляти 380 млн МВт електроенергії на рік.

Гарячі сухі породи залягають на глибинах від 5 до 8 км. скрізь під землею і на меншій глибині в певних місцях. Доступ до цих ресурсів передбачає введення холодної води, що циркулює через гарячі скельні породи та відведення нагрітої води. Нині немає комерційного застосування цієї технології. Існуючі технології поки що не дозволяють відновлювати теплову енергію безпосередньо з магми, дуже глибоко, але це найпотужніший ресурс геотермальної енергії.

З комбінацією енергоресурсів та її послідовності геотермальна енергія може відігравати незамінну роль як чистіша, стійкіша енергетична система.

Конструкції геотермальних електростанцій

Геотермальна енергія – це чисте та стійке тепло від Землі. Великі ресурси знаходяться в діапазоні за кілька кілометрів під поверхнею землі, і ще глибше, до високої температури розплавленої породи, яка називається магмою. Але як описано вище, люди поки не дісталися до магми.

Три конструкції геотермальних електростанцій

Технологія застосування визначається ресурсом. Якщо вода надходить із свердловини як пара, вона може використовуватись безпосередньо. Якщо гаряча вода досить високої температури, вона повинна пройти через теплообмінник.

Перша свердловина для енергії була пробурена до 1924 року. Глибокіші свердловини були пробурені в 1950-х, але реальний розвиток відбувається в 1970-х і 1980-х років.

Пряме використання геотермального тепла

Геотермальні джерела можуть використовуватися безпосередньо для цілей опалення. Гаряча вода використовується для обігріву будівель, вирощування рослин у теплицях, сушіння риби та сільськогосподарських культур, покращення видобутку нафти, допомоги у промислових процесах як пастеризатори молока та обігрів води на рибних фермах. У США Кламат-Фолс, Орегон і Бойсе, Айдахо геотермальна вода використовується для обігріву будинків і будівель більше століття. На східному узбережжі, місто Уорм-Спрінгс, Вірджинія одержує тепло безпосередньо з джерельної води, використовуючи джерела тепла на одному з місцевих курортів.

В Ісландії практично кожна будівля в країні нагрівається гарячою джерельною водою. Насправді Ісландія отримує понад 50 відсотків первинної енергії з геотермальних джерел. У Рейк'явіку, наприклад, (населення 118 тис. чол), гаряча вода передається конвеєром на 25 кілометрів, і жителі використовують її для опалення та природних потреб.

Нова Зеландія отримує 10% своєї електроенергії додатково. перебуває у недостатньому розвитку, попри наявність термальних вод.

Теплота Землі. Ймовірні джерела внутрішньої теплоти

Геотермія- Наука, що вивчає теплове поле Землі. Середня температура Землі має загальну тенденцію до зменшення. Три млрд. років тому середня температура на поверхні Землі становила 71 о, зараз – 17 о. Джерелами теплового (термічного ) поля Землі є внутрішні та зовнішні процеси. Теплота Землі викликається сонячною радіацією і зароджується у надрах планети. Величини припливу тепла від обох джерел кількісно вкрай неоднакові і різні їх ролі життя планети. Сонячне нагрівання Землі становить 99,5% від усієї суми тепла, одержуваного її поверхнею, але частку внутрішнього нагрівання доводиться 0,5 %. До того ж приплив внутрішнього тепла дуже нерівномірно розподілений Землі і зосереджений переважно у місцях прояви вулканізму.

Зовнішнє джерело – це сонячна радіація . Половина сонячної енергії поглинається поверхнею, рослинністю та приповерхневим шаром земної кори. Інша половина відбивається у світовий простір. Сонячна радіація підтримує температуру поверхні Землі в середньому близько 0 0 С. Сонце прогріває приповерхневий шар Землі на глибину в середньому 8 – 30 м, при середній глибині 25 м, вплив сонячного тепла припиняється і температура стає постійною (нейтральний шар). Глибина ця мінімальна у зонах з морським кліматом та максимальна у Приполяр'ї. Нижче цієї межі розташовується пояс постійної температури, що відповідає середній річній температурі даної місцевості. Так, наприклад, у Москві біля сільгосп. академії ім. Тимірязєва, на глибині 20 м температура з 1882 р незмінно зберігається рівною 4,2 про З. У Парижі на глибині 28 м термометр вже понад сто років незмінно показує 11,83 про З. Шар із постійної температурою найглибший там, де розвинена багаторічна ( вічна мерзлота. Нижче пояса постійної температури слідує зона геотермії, для якої властиве тепло, що генерується самою Землею.

Внутрішніми джерелами є надра Землі. Земля випромінює у світовий простір більше тепла, ніж вона отримує від Сонця. До внутрішніх джерел відносять залишкове тепло з того часу, коли планета була розплавлена, тепло термоядерних реакцій, що протікають у надрах Землі, тепло гравітаційного стиску Землі під дією сили тяжіння, тепло хімічних реакцій та процесів кристалізації та ін. (наприклад, приливне тертя). Тепло з надр йде переважно з рухомих зон. Збільшення температури з глибиною пов'язане із існуванням внутрішніх джерел тепла – розпадом радіоактивних ізотопів – U, Th, K, гравітаційною диференціацією речовини, приливним тертям, екзотермічними окислювально-відновними хімічними реакціями, метаморфізмом та фазовими переходами. Швидкість зростання температури з глибиною визначається низкою факторів – теплопровідністю, проникністю гірських порід, близькістю вулканічних вогнищ тощо.

Нижче поясу постійних температур йде підвищення температури, в середньому 1 о на 33 м ( геотермічний ступінь) або на 3 про кожні 100 м ( геотермічний градієнт). Ці величини показники теплового поля Землі. Зрозуміло, що ці величини середні та різні за величиною у різних областях чи зонах Землі. Геотермічна ступінь у різних точках Землі різна. Наприклад, у Москві – 38,4 м, у Ленінграді 19,6, в Архангельську – 10. Так, при бурінні глибокої свердловини на Кольському півострові на глибині 12 км передбачали температуру 150 о, насправді вона виявилася близько 220 градусів. При бурінні свердловин у північному Прикаспії на глибині 3000 м припускали температуру 150 градусів, а вона виявилася 108 о.

Слід зазначити, що кліматичні особливості місцевості та середньорічна температура не впливають на зміну величини геотермічного ступеня, причини криються в наступному:

1) у різній теплопровідності гірських порід, що становлять той чи інший район. Під мірою теплопровідності розуміють кількість тепла в калоріях, що передається за 1 сек. Через переріз 1 см 2 при градієнті температури 1 про С;

2) у радіоактивності гірських порід, чим більша теплопровідність і радіоактивність, тим менший геотермічний ступінь;

3) у різних умовах залягання гірських порід та віці порушення їх залягання; спостереження показали, що температура наростає швидше в шарах зібраних у складки, в них частіше бувають порушення (тріщини), якими полегшується доступ тепла з глибин;

4) характером підземних вод: потоки гарячих підземних вод прогрівають гірські породи, холодні – охолоджують;

5) віддаленістю від океану: біля океану з допомогою охолодження гірських порід масою води, геотермічна ступінь більше, але в контакті – менше.

Знання конкретної величини геотермічного ступеня має велике практичне значення.

1. Це важливо під час проектування шахт. В одних випадках потрібно буде вживати заходів для штучного зниження температури в глибоких виробках (температура - 50 о С є граничною для людини при сухому повітрі та 40 о С при вологому); в інших – можна буде працювати на великих глибинах.

2. Велике значення має оцінка температурних умов під час проходження тунелів у гірських місцевостях.

3. Вивчення геотермічних умов надр Землі дає можливість використовувати пару та гарячі джерела, що виходять поверхню Землі. Підземне тепло використовується, наприклад, Італії, Ісландії; у Росії на природному теплі побудована на Камчатці експериментально-промислова електростанція.

Використовуючи дані про величину геотермічного ступеня, можна зробити деякі припущення про температурні умови глибоких зон Землі. Якщо прийняти середню величину геотермічного ступеня за 33 м і припустити, що збільшення температури з глибиною відбувається рівномірно, то на глибині 100 км буде температура 3000 про С. Ця температура перевищує точки плавлення всіх речовин відомих на Землі, отже на цій глибині мають бути розплавлені маси . Але за рахунок величезного тиску 31 000 атм. Перегріті маси немає ознак, властивих рідин, а наділені ознаками твердого тіла.

З глибиною геотермічний ступінь, мабуть, має значно збільшуватися. Якщо вважати, що ступінь не змінюється з глибиною, то температура в центрі Землі повинна становити близько 200 000 градусів, а за розрахунками вона не може перевищувати 5000 - 10 000 о.

У нашій країні, багатій на вуглеводні, геотермальна енергія - якийсь екзотичний ресурс, який за сьогоднішнього стану справ навряд чи складе конкуренцію нафти і газу. Тим не менш, цей альтернативний вид енергії може використовуватися практично всюди і досить ефективно.

Геотермальна енергія – це тепло земних надр. Виробляється воно в глибинах і надходить до Землі в різних формах і з різною інтенсивністю.

Температура верхніх шарів ґрунту залежить в основному від зовнішніх (екзогенних) факторів – сонячного освітлення та температури повітря. Влітку і вдень ґрунт до певних глибин прогрівається, а взимку та вночі охолоджується слідом за зміною температури повітря та з деяким запізненням, що наростає з глибиною. Вплив добових коливань температури повітря закінчується на глибинах від одиниць до кількох десятків сантиметрів. Сезонні коливання захоплюють глибші пласти ґрунту - до десятків метрів.

На певній глибині - від десятків до сотень метрів - температура ґрунту тримається постійною, рівною середньорічній температурі повітря біля Землі. У цьому легко переконатись, спустившись у досить глибоку печеру.

Коли середньорічна температура повітря у цій місцевості нижче нуля, це проявляється як вічна (точніше, багаторічна) мерзлота. У Східному Сибіру потужність, тобто товщина, цілий рік мерзлих ґрунтів досягає місцями 200-300 м.

З деякої глибини (своєї кожної точки на карті) дія Сонця і атмосфери слабшає настільки, що у перше місце виходять ендогенні (внутрішні) чинники і відбувається розігрів земних надр зсередини, отже температура з глибиною починає зростати.

Розігрів глибинних шарів Землі пов'язують, головним чином, з розпадом радіоактивних елементів, що там знаходяться, хоча називають й інші джерела тепла, наприклад фізико-хімічні, тектонічні процеси в глибоких шарах земної кори і мантії. Але чим би це не було зумовлено, температура гірських порід та пов'язаних з ними рідких та газоподібних субстанцій із глибиною зростає. З цим явищем стикаються гірники – у глибоких шахтах завжди спекотно. На глибині 1 км тридцятиградусна спека - нормальне явище, а глибша температура ще вища.

Тепловий потік земних надр, що досягає поверхні Землі, невеликий - у середньому його потужність становить 0,03-0,05 Вт/м 2 або приблизно 350 Вт · год / м 2 на рік. На тлі теплового потоку від Сонця та нагрітого ним повітря це непомітна величина: Сонце дає кожному квадратному метру земної поверхні близько 4000 кВт·год щорічно, тобто в 10 000 разів більше (зрозуміло, це в середньому, при величезному розкиді між полярними та екваторіальними широтами) та в залежності від інших кліматичних та погодних факторів).

Незначність теплового потоку з надр до поверхні більшої частини планети пов'язана з низькою теплопровідністю гірських порід та особливостями геологічної будови. Але є винятки – місця, де тепловий потік великий. Це насамперед зони тектонічних розломів, підвищеної сейсмічної активності та вулканізму, де енергія земних надр знаходить вихід. Для таких зон характерні термічні аномалії літосфери, тут тепловий потік, що досягає поверхні Землі, може бути в рази і навіть на порядки потужніший за «звичайний». Величезна кількість тепла на поверхню у цих зонах виносять виверження вулканів та гарячі джерела води.

Саме такі райони є найбільш сприятливими для розвитку геотермальної енергетики. На території Росії це, перш за все, Камчатка, Курильські острови та Кавказ.

У той же час розвиток геотермальної енергетики можливий практично скрізь, оскільки зростання температури з глибиною - явище повсюдне, і завдання полягає в «видобуті» тепла з надр, подібно до того, як звідти видобувається мінеральна сировина.

У середньому температура з глибиною зростає на 2,5-3 ° C на кожні 100 м. Відношення різниці температур між двома точками, що лежать на різній глибині, до різниці глибин між ними називають геотермічним градієнтом.

Зворотна величина - геотермічний ступінь або інтервал глибин, на якому температура підвищується на 1°C.

Чим вище градієнт і нижче ступінь, тим ближче тепло глибин Землі підходить до поверхні і тим паче перспективний даний район у розвиток геотермальної енергетики.

У різних районах, залежно від геологічної будови та інших регіональних та місцевих умов, швидкість зростання температури із глибиною може різко відрізнятися. У масштабах Землі коливання величин геотермічних градієнтів і щаблів досягають 25 разів. Наприклад, у штаті Орегон (США) градієнт становить 150 ° C на 1 км, а в Південній Африці - 6 ° C на 1 км.

Питання, яка температура на великих глибинах – 5, 10 км і більше? При збереженні тенденції температура на глибині 10 км повинна становити приблизно 250–300°C. Це більш менш підтверджується прямими спостереженнями в надглибоких свердловинах, хоча картина істотно складніше лінійного підвищення температури.

Наприклад, у Кольській надглибокій свердловині, пробуреній у Балтійському кристалічному щиті, температура до глибини 3 км змінюється зі швидкістю 10 ° C / 1 км, а далі геотермічний градієнт стає в 2-2,5 рази більше. На глибині 7 км зафіксовано вже температуру 120°C, на 10 км - 180°C, а на 12 км - 220°C.

Інший приклад - свердловина, закладена в Північному Прикаспії, де на глибині 500 м зареєстрована температура 42 ° C, на 1,5 км - 70 ° C, на 2 км - 80 ° C, на 3 км - 108 ° C.

Передбачається, що геотермічний градієнт зменшується починаючи з глибини 20–30 км: на глибині 100 км приблизно температури близько 1300–1500°C, на глибині 400 км – 1600°C, в ядрі Землі (глибини понад 6000 км) – 4000 C.

На глибинах до 10-12 км температуру вимірюють через пробурені свердловини; там же, де їх немає, її визначають за непрямими ознаками так само, як і на більших глибинах. Такими непрямими ознаками можуть бути характер проходження сейсмічних хвиль або температура лави, що виливається.

Втім, для цілей геотермальної енергетики дані про температури на глибинах понад 10 км поки що не становлять практичного інтересу.

На глибинах за кілька кілометрів багато тепла, але як його підняти? Іноді це завдання вирішує за нас сама природа за допомогою природного теплоносія - нагрітих термальних вод, що виходять на поверхню або залягають на доступній для нас глибині. У ряді випадків вода в глибинах розігріта до пари.

Суворого визначення поняття "термальні води" немає. Як правило, під ними мають на увазі гарячі підземні води в рідкому стані або у вигляді пари, у тому числі ті, що виходять на поверхню Землі з температурою вище 20°C, тобто, як правило, вищою, ніж температура повітря.

Тепло підземних вод, пари, пароводяних сумішей – це гідротермальна енергія. Відповідно енергетика, заснована на її використанні, називається гідротермальною.

Складніша ситуація з видобутком тепла безпосередньо сухих гірських порід - петротермальної енергії, тим більше що досить високі температури, як правило, починаються з глибин в кілька кілометрів.

На території Росії потенціал петротермальної енергії в сто разів вищий, ніж у гідротермальної - відповідно 3500 і 35 трлн тонн умовного палива. Це цілком природно – тепло глибин Землі є скрізь, а термальні води виявляються локально. Однак через очевидні технічні труднощі для отримання тепла та електроенергії нині використовуються переважно термальні води.

Води температурою від 20-30 до 100 ° C придатні для опалення, температурою від 150 ° C і вище - і для вироблення електроенергії на геотермальних електростанціях.

У цілому ж геотермальні ресурси біля Росії у перерахунку на тонни умовного палива чи будь-яку іншу одиницю виміру енергії приблизно 10 разів вище запасів органічного палива.

Теоретично лише рахунок геотермальної енергії можна було б повністю задовольнити енергетичні потреби країни. Майже на даний момент на більшій частині її території це неможливе з техніко-економічних міркувань.

У світі використання геотермальної енергії асоціюється найчастіше з Ісландією - країною, розташованою на північному закінченні Серединно-Атлантичного хребта, у виключно активній тектонічній та вулканічній зоні. Напевно, всі пам'ятають потужне виверження вулкана Ейяф'ятлайокудль ( Eyjafjallajökull) в 2010 році.

Саме завдяки такій геологічній специфіці Ісландія має величезні запаси геотермальної енергії, у тому числі гарячих джерел, що виходять на поверхню Землі і навіть фонтанують у вигляді гейзерів.

В Ісландії нині понад 60% усієї споживаної енергії беруть із Землі. У тому числі за рахунок геотермальних джерел забезпечується 90% опалення та 30% вироблення електроенергії. Додамо, що решта електроенергії в країні виробляється на ГЕС, тобто з використанням відновлюваного джерела енергії, завдяки чому Ісландія виглядає якимось світовим екологічним еталоном.

"Приручення" геотермальної енергії в XX столітті помітно допомогло Ісландії в економічному відношенні. До середини минулого століття вона була дуже бідною країною, зараз займає перше місце у світі за встановленою потужністю та виробництвом геотермальної енергії на душу населення і знаходиться в першій десятці за абсолютною величиною встановленої потужності геотермальних електростанцій. Проте її населення становить лише 300 тисяч жителів, що полегшує завдання переходу на екологічно чисті джерела енергії: потреби у ній загалом невеликі.

Крім Ісландії висока частка геотермальної енергетики у загальному балансі виробництва електроенергії забезпечується у Новій Зеландії та острівних державах Південно-Східної Азії (Філіппіни та Індонезія), країнах Центральної Америки та Східної Африки, територія яких також характеризується високою сейсмічною та вулканічною активністю. Для цих країн за їх нинішнього рівня розвитку та потреб геотермальна енергетика робить вагомий внесок у соціально-економічний розвиток.

Використання геотермальної енергії має дуже давню історію. Один із перших відомих прикладів - Італія, містечко в провінції Тоскана, нині зване Лардерелло, де ще на початку XIX століття місцеві гарячі термальні води, що виливалися природним шляхом або видобували з неглибоких свердловин, використовувалися в енергетичних цілях.

Вода з підземних джерел, багата на бор, вживалася тут для отримання борної кислоти. Спочатку цю кислоту отримували методом випарювання в залізних бойлерах, а як паливо брали звичайні дрова з найближчих лісів, але в 1827 Франческо Лардерел (Francesco Larderel) створив систему, що працювала на теплі самих вод. Водночас енергію природної водяної пари почали використовувати для роботи бурових установок, а на початку XX століття – і для опалення місцевих будинків та теплиць. Там же, в Лардерелло, 1904 року термальна водяна пара стала енергетичним джерелом для отримання електрики.

Приклад Італії в кінці XIX-початку XX століття наслідували деякі інші країни. Наприклад, в 1892 році термальні води вперше були використані для місцевого опалення в США (Бойсе, штат Айдахо), 1919-го - в Японії, 1928-го - в Ісландії.

У США перша електростанція, що працювала на гідротермальній енергії, з'явилася в Каліфорнії на початку 1930-х років, у Новій Зеландії - у 1958 році, у Мексиці - у 1959-му, у Росії (перша у світі бінарна ГеоЕС) - у 1965-му .

Старий принцип на новому джерелі

Вироблення електроенергії потребує більш високої температури гідроджерела, ніж для опалення - понад 150°C. Принцип роботи геотермальної електростанції (ГеоЕС) подібний до принципу роботи звичайної теплової електростанції (ТЕС). По суті геотермальна електростанція - різновид ТЕС.

На ТЕС у ролі первинного джерела енергії виступають, зазвичай, вугілля, газ чи мазут, а робочим тілом служить водяну пару. Паливо, згоряючи, нагріває воду до стану пари, що обертає парову турбіну, а вона генерує електрику.

Відмінність ГеоЕС полягає в тому, що первинне джерело енергії тут - тепло земних надр і робоче тіло у вигляді пари надходить на лопаті турбіни електрогенератора в готовому вигляді прямо з видобувної свердловини.

Існують три основні схеми роботи ГеоЕС: пряма, з використанням сухої (геотермальної) пари; непряма, на основі гідротермальної води, змішана, або бінарна.

Застосування тієї чи іншої схеми залежить від агрегатного стану та температури енергоносія.

Найпростіша і тому перша з освоєних схем - пряма, в якій пара, що надходить зі свердловини, пропускається безпосередньо через турбіну. На сухій парі працювала і перша у світі ГеоЕС у Лардерелло у 1904 році.

ГеоЕС з непрямою схемою роботи у час найпоширеніші. Вони використовують гарячу підземну воду, яка під високим тиском нагнітається у випарник, де частина її випаровується, а отримана пара обертає турбіну. У ряді випадків потрібні додаткові пристрої та контури для очищення геотермальної води та пари від агресивних з'єднань.

Відпрацьований пар надходить у свердловину нагнітання чи використовується опалення приміщень, - у разі принцип той самий, що з роботі ТЕЦ.

На бінарних ГеоЕС гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, яка виконує функції робочого тіла з нижчою температурою кипіння. Обидві рідини пропускаються через теплообмінник, де термальна вода випарює робочу рідину, пари якої обертають турбіну.

Принцип роботи бінарної ГеоЕС. Гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, що виконує функції робочого тіла та має менш високу температуру кипіння. Обидві рідини пропускаються через теплообмінник, де термальна вода випарює робочу рідину, пари якої у свою чергу обертають турбіну.

Ця система замкнута, що вирішує проблеми викидів у повітря. Крім того, робочі рідини з порівняно низькою температурою кипіння дозволяють використовувати як первинне джерело енергії і не дуже гарячі термальні води.

У всіх трьох схемах експлуатується гідротермальне джерело, але для отримання електрики можна використовувати петротермальну енергію.

Принципова схема у разі також досить проста. Необхідно пробурити дві свердловини, що з'єднуються між собою - нагнітальну і експлуатаційну. У нагнітальну свердловину закачується вода. На глибині вона нагрівається, потім нагріта вода або пар, що утворився в результаті сильного нагріву, по експлуатаційній свердловині подається на поверхню. Далі все залежить від того, як використовується петротермальна енергія - для опалення або виробництва електроенергії. Можливий замкнутий цикл із закачуванням відпрацьованої пари та води назад у нагнітальну свердловину чи інший спосіб утилізації.

Схема роботи петротермальної системи Система заснована на використанні температурного градієнта між поверхнею землі та її надрами, де температура вища. Вода з поверхні закачується в нагнітальну свердловину і нагрівається на глибині, далі нагріта вода або пар, що утворився в результаті нагрівання, подаються на поверхню по експлуатаційній свердловині.

Недолік такої системи є очевидним: для отримання досить високої температури робочої рідини потрібно бурити свердловини на велику глибину. А це серйозні витрати та ризик суттєвих втрат тепла під час руху флюїду вгору. Тому петротермальні системи поки що менш поширені порівняно з гідротермальними, хоча потенціал петротермальної енергетики на порядки вищий.

Нині лідер у створенні про петротермальних циркуляційних систем (ПЦС) - Австралія. Крім того, цей напрямок геотермальної енергетики активно розвивається в США, Швейцарії, Великій Британії, Японії.

Подарунок лорда Кельвіна

Винахід у 1852 році теплового насосу фізиком Вільямом Томпсоном (він же – лорд Кельвін) надав людству реальну можливість використання низькопотенційного тепла верхніх шарів ґрунту. Теплонасосна система, або, як її називав Томпсон, помножувач тепла, заснована на фізичному процесі передачі тепла від навколишнього середовища до холодоагенту. По суті, у ній використовують той самий принцип, що й у петротермальних системах. Відмінність – у джерелі тепла, у зв'язку з чим може виникнути термінологічне питання: наскільки тепловий насос можна вважати геотермальною системою? Справа в тому, що у верхніх шарах, до глибин у десятки-сотні метрів, породи і флюїди, що містяться в них, нагріваються не глибинним теплом землі, а сонцем. Отже, саме сонце у разі - первинне джерело тепла, хоча забирається воно, як й у геотермальних системах, із землі.

Робота теплового насоса заснована на запізнюванні прогріву та охолодження ґрунту в порівнянні з атмосферою, внаслідок чого утворюється градієнт температур між поверхнею та глибшими шарами, які зберігають тепло навіть узимку, подібно до того, як це відбувається у водоймах. Основне призначення теплових насосів – обігрів приміщень. По суті – це «холодильник навпаки». І тепловий насос, і холодильник взаємодіють з трьома складовими: внутрішнім середовищем (у першому випадку - опалювальне приміщення, у другому - камера холодильника, що охолоджується), зовнішнім середовищем - джерелом енергії і холодильним агентом (холодоагентом), він же - теплоносій, що забезпечує передачу тепла холоду.

У ролі холодоагенту виступає речовина з низькою температурою кипіння, що дозволяє йому відбирати тепло у джерела, що має навіть порівняно низьку температуру.

У холодильнику рідкий холодоагент через дросель (регулятор тиску) надходить у випарник, де через різке зменшення тиску відбувається випаровування рідини. Випаровування – ендотермічний процес, що вимагає поглинання тепла ззовні. В результаті тепло з внутрішніх стінок випарника забирається, що забезпечує охолодний ефект в камері холодильника. Далі з випарника холодоагент засмоктується в компресор, де він повертається в рідкий агрегатний стан. Це зворотний процес, що веде до викиду відібраного тепла у зовнішнє середовище. Як правило, воно викидається в приміщення і задня стінка холодильника порівняно тепла.

Тепловий насос працює практично так само, з тією різницею, що тепло забирається із зовнішнього середовища і через випарник надходить у внутрішнє середовище – систему опалення приміщення.

У реальному тепловому насосі вода нагрівається, проходячи по зовнішньому контуру, покладеному в землю або водоймище, далі надходить у випарник.

У випарнику тепло передається у внутрішній контур заповнений холодоагентом з низькою температурою кипіння, який, проходячи через випарник, переходить з рідкого стану в газоподібний, забираючи тепло.

Далі газоподібний холодоагент потрапляє в компресор, де стискається до високого тиску та температури, і надходить у конденсатор, де відбувається теплообмін між гарячим газом та теплоносієм із системи опалення.

Для роботи компресора потрібна електроенергія, проте коефіцієнт трансформації (співвідношення енергії, що споживається і виробляється) в сучасних системах досить високий, щоб забезпечити їх ефективність.

В даний час теплові насоси досить широко використовуються для опалення приміщень, головним чином, економічно розвинених країн.

Екокоректна енергетика

Геотермальна енергетика вважається екологічно чистою, що загалом справедливо. Насамперед, у ній використовується відновлюваний та практично невичерпний ресурс. Геотермальна енергетика не потребує великих площ, на відміну великих ГЕС чи вітропарків, і забруднює атмосферу, на відміну вуглеводневої енергетики. У середньому ГеоЕС займає 400 м 2 у перерахунку на 1 ГВт електроенергії, що виробляється. Той самий показник для вугільної ТЕС, наприклад, становить 3600 м 2 . До екологічних переваг ГеоЕС відносять також низьке водоспоживання - 20 літрів прісної води на 1 кВт, тоді як для ТЕС та АЕС потрібно близько 1000 літрів. Зауважимо, що це екологічні показники «середньостатистичної» ГеоЕС.

Але негативні побічні ефекти все ж таки є. Серед них найчастіше виділяють шум, теплове забруднення атмосфери та хімічне – води та ґрунти, а також утворення твердих відходів.

Головне джерело хімічного забруднення середовища - власне термальна вода (з високою температурою та мінералізацією), що нерідко містить велику кількість токсичних сполук, у зв'язку з чим існує проблема утилізації відпрацьованої води та небезпечних речовин.

Негативні ефекти геотермальної енергетики можуть простежуватися кілька етапів, починаючи з буріння свердловин. Тут виникають ті ж небезпеки, що і при бурінні будь-якої свердловини: руйнування ґрунтово-рослинного покриву, забруднення ґрунту та ґрунтових вод.

На стадії експлуатації ГеоЕС проблеми забруднення довкілля зберігаються. Термальні флюїди - вода і пара - зазвичай містять вуглекислий газ (CO 2), сульфід сірки (H 2 S), аміак (NH 3), метан (CH 4), кухонну сіль (NaCl), бор (B), миш'як (As ), ртуть (Hg). При викидах у довкілля вони стають джерелами її забруднення. Крім того, агресивне хімічне середовище може спричинити корозійні руйнування конструкцій ГеоТЕС.

Водночас викиди забруднюючих речовин на ГеоЕС у середньому нижчі, ніж на ТЕС. Наприклад, викиди вуглекислого газу на кожну кіловат-годину виробленої електроенергії складають до 380 г на ГеоЕС, 1042 г – на вугільних ТЕС, 906 г – на мазутних та 453 г – на газових ТЕС.

Виникає питання: що робити із відпрацьованою водою? При низькій мінералізації вона після охолодження може бути скинута в поверхневі води. Інший шлях - закачування її у водоносний пласт через нагнітальну свердловину, що переважно і переважно застосовується нині.

Видобуток термальної води з водоносних пластів (як і викачування звичайної води) може викликати просідання і зсув грунту, інші деформації геологічних шарів, мікроземлетруси. Імовірність таких явищ, як правило, невелика, хоча окремі випадки зафіксовані (наприклад, на ГеоЕС у Штауфен-ім-Брайсгау у Німеччині).

Слід наголосити, що більшість ГеоЕС розташована на порівняно малонаселених територіях та країнах третього світу, де екологічні вимоги бувають менш жорсткими, ніж у розвинених країнах. Крім того, на даний момент кількість ГеоЕС та їх потужності порівняно невеликі. За більш масштабного розвитку геотермальної енергетики екологічні ризики можуть зрости і помножитися.

Чим енергія Землі?

Інвестиційні витрати на будівництво геотермальних систем варіюють у дуже широкому діапазоні - від 200 до 5000 доларів на 1 кВт встановленої потужності, тобто найдешевші варіанти можна порівняти з вартістю будівництва ТЕС. Залежать вони передусім від умов залягання термальних вод, їх складу, конструкції системи. Буріння на велику глибину, створення замкнутої системи із двома свердловинами, необхідність очищення води можуть багаторазово збільшувати вартість.

Наприклад, інвестиції у створення петротермальної циркуляційної системи (ПЦС) оцінюються в 1,6–4 тис. доларів на 1 кВт встановленої потужності, що перевищує витрати на будівництво атомної електростанції та порівняно з витратами на будівництво вітрових та сонячних електростанцій.

Очевидна економічна перевага ГеоТЕС – безкоштовний енергоносій. Для порівняння – у структурі витрат працюючої ТЕС чи АЕС на паливо припадає 50–80% або навіть більше, залежно від поточних цін на енергоносії. Звідси ще одна перевага геотермальної системи: витрати при експлуатації більш стабільні та передбачувані, оскільки не залежать від зовнішньої кон'юнктури цін на енергоносії. У цілому нині експлуатаційні витрати ГеоТЕС оцінюються в 2–10 центів (60 коп.–3 крб.) на 1 кВт·ч виробленої потужності.

Друга за величиною після енергоносія (і дуже суттєва) стаття витрат – це, як правило, заробітна плата персоналу станції, яка може кардинально відрізнятись по країнах та регіонах.

У середньому собівартість 1 кВт·г геотермальної енергії порівнянна з такою для ТЕС (у російських умовах - близько 1 руб./1 кВт·г) і в десять разів вище за собівартість вироблення електроенергії на ГЕС (5-10 коп./1 кВт·г ).

Частково причина високої собівартості полягає в тому, що, на відміну від теплових та гідравлічних електростанцій, ГеоТЕС має порівняно невелику потужність. Крім того, необхідно порівнювати системи, що знаходяться в одному регіоні та в подібних умовах. Так, наприклад, на Камчатці, за оцінками експертів, 1 кВт·г геотермальної електроенергії обходиться в 2–3 рази дешевше за електроенергію, вироблену на місцевих ТЕС.

Показники економічної ефективності роботи геотермальної системи залежать, наприклад, і від того, чи потрібно утилізувати відпрацьовану воду і як це робиться, чи можливе комбіноване використання ресурсу. Так, хімічні елементи та сполуки, витягнуті з термальної води, можуть дати додатковий дохід. Згадаймо приклад Лардерелло: первинним там було саме хімічне виробництво, а використання геотермальної енергії спочатку мало допоміжний характер.

Форварди геотермальної енергетики

Геотермальна енергетика розвивається трохи інакше, ніж вітряна та сонячна. В даний час вона значно більшою мірою залежить від характеру самого ресурсу, який різко відрізняється по регіонах, а найбільші концентрації прив'язані до вузьких зон геотермічних аномалій, пов'язаних, як правило, з районами розвитку тектонічних розломів і вулканізму.

Крім того, геотермальна енергетика менш технологічно ємна в порівнянні з вітряною і тим більше сонячною енергетикою: системи геотермальних станцій досить прості.

У загальній структурі світового виробництва електроенергії на геотермальну складову припадає менше 1%, але в деяких регіонах та країнах її частка сягає 25–30%. Через прив'язку до геологічним умовам значна частина потужностей геотермальної енергетики зосереджена у країнах третього світу, де виділяються три кластери найбільшого розвитку галузі - острови Південно-Східної Азії, Центральна Америка та Східна Африка. Два перші регіони входять до Тихоокеанського «вогняного пояса Землі», третій прив'язаний до Східно-Африканського рифту. З найбільшою ймовірністю геотермальна енергетика й надалі розвиватиметься у цих поясах. Більш віддалена перспектива – розвиток петротермальної енергетики, що використовує тепло шарів землі, що лежать на глибині кількох кілометрів. Це практично повсюдно поширений ресурс, але його витяг вимагає високих витрат, тому петротермальна енергетика розвивається насамперед найбільш економічно і технологічно потужних країнах.

Загалом, враховуючи повсюдне поширення геотермальних ресурсів та прийнятний рівень екологічної безпеки, є підстави припускати, що геотермальна енергетика має добрі перспективи розвитку. Особливо при наростанні загрози дефіциту традиційних енергоносіїв та зростанні цін на них.

Від Камчатки до Кавказу

У Росії її розвиток геотермальної енергетики має досить давню історію, і з низки позицій ми у світових лідерів, хоча у загальному енергобалансі величезної країни частка геотермальної енергії поки мізерно мала.

Піонерами та центрами розвитку геотермальної енергетики в Росії стали два регіони - Камчатка та Північний Кавказ, причому якщо в першому випадку йдеться насамперед про електроенергетику, то у другому - про використання теплової енергії термальної води.

На Північному Кавказі - Краснодарському краї, Чечні, Дагестані - тепло термальних вод для енергетичних цілей використовувалося ще до Великої Вітчизняної війни. У 1980-1990-ті роки розвиток геотермальної енергетики в регіоні зі зрозумілих причин застопорився і поки стан стагнації не вийшов. Тим не менш, геотермальне водопостачання на Північному Кавказі забезпечує теплом близько 500 тис. осіб, а, наприклад, місто Лабінськ в Краснодарському краї з населенням 60 тис. осіб повністю опалюється за рахунок геотермальних вод.

На Камчатці історія геотермальної енергетики пов'язана насамперед із будівництвом ГеоЕС. Перші з них, які досі працюють Паужетська та Паратунська станції, були побудовані ще в 1965–1967 роках, при цьому Паратунська ГеоЕС потужністю 600 кВт стала першою станцією у світі з бінарним циклом. Це була розробка радянських вчених С. ​​С. Кутателадзе та А. М. Розенфельда з Інституту теплофізики СО РАН, які отримали в 1965 авторське свідоцтво на вилучення електроенергії з води з температурою від 70 °C. Ця технологія згодом стала прототипом понад 400 бінарних ГеоЕС у світі.

Потужність Паужетської ГеоЕС, введеної в експлуатацію у 1966 році, спочатку становила 5 МВт і згодом була нарощена до 12 МВт. В даний час на станції йде будівництво бінарного блоку, який збільшить її потужність ще на 2,5 МВт.

Розвиток геотермальної енергетики СРСР і Росії гальмувалося доступністю традиційних енергоносіїв - нафти, газу, вугілля, але ніколи не припинялося. Найбільші на даний момент об'єкти геотермальної енергетики – Верхньо-Мутнівська ГеоЕС із сумарною потужністю енергоблоків 12 МВт, введена в експлуатацію у 1999 році, та Мутнівська ГеоЕС потужністю 50 МВт (2002 рік).

Мутнівська та Верхньо-Мутнівська ГеоЕС – унікальні об'єкти не тільки для Росії, а й у світовому масштабі. Станції розташовані біля підніжжя вулкана Мутновський, на висоті 800 метрів над рівнем моря, і працюють у екстремальних кліматичних умовах, де 9–10 місяців на рік зима. Обладнання Мутновських ГеоЕС, на даний момент одне із найсучасніших у світі, повністю створене на вітчизняних підприємствах енергетичного машинобудування.

В даний час частка Мутновських станцій у загальній структурі енергоспоживання Центрально-Камчатського енергетичного вузла становить 40%. Найближчими роками планується збільшення потужності.

Окремо слід сказати про російські петротермальні розробки. Великих ПЦС у нас поки що немає, проте є передові технології буріння на велику глибину (близько 10 км), які також не мають аналогів у світі. Їхній подальший розвиток дозволить кардинально знизити витрати на створення петротермальних систем. Розробники даних технологій та проектів – Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторський (Геологічний інститут РАН), А. С. Некрасов (Інститут народногосподарського прогнозування РАН) та фахівці Калузького турбінного заводу. Наразі проект петротермальної циркуляційної системи в Росії знаходиться на експериментальній стадії.

Перспективи геотермальної енергетики в Росії є, хоча й порівняно віддалені: на даний момент досить великий потенціал і сильні позиції традиційної енергетики. Водночас у низці віддалених районів країни використання геотермальної енергії економічно вигідне та затребуване вже зараз. Це території з високим геоенергетичним потенціалом (Чукотка, Камчатка, Курили – російська частина Тихоокеанського «вогняного поясу Землі», гори Південного Сибіру та Кавказ) і водночас віддалені та відрізані від централізованого енергопостачання.

Ймовірно, найближчими десятиліттями геотермальна енергетика в нашій країні розвиватиметься саме в таких регіонах.

Кирило Дегтярьов,
науковий співробітник МДУ ім. М. В. Ломоносова
«Наука та життя» №9, №10 2013