Введение

Тепловая энергия, генерируемая и хранящаяся в Земле. Тепловая энергия, генерируемая и хранящаяся глубоко под землей.

Геотермальная энергия – это тепловая энергия, извлекаемая из земной коры. Она объединяет энергию, возникшую при формировании планеты, и энергию радиоактивного распада. Геотермальная энергия используется как источник тепла и/или электроэнергии на протяжении тысячелетий. Геотермальное отопление, например, с использованием воды из горячих источников, применялось для купания с палеолита и для обогрева помещений с римских времен. Геотермальная энергия (генерация электроэнергии из геотермальной энергии) используется с XX века. В отличие от ветровой и солнечной энергии, геотермальные электростанции производят электроэнергию с постоянной мощностью, независимо от погодных условий. Геотермальных ресурсов теоретически более чем достаточно для удовлетворения энергетических потребностей человечества. Большая часть добычи происходит в районах, расположенных вблизи границ тектонических плит. Стоимость производства геотермальной энергии снизилась на 25% в 1980-х и 1990-х годах. Технологический прогресс продолжал снижать затраты и, тем самым, расширять объём доступных ресурсов. В 2021 году Министерство энергетики США оценило, что электроэнергия с электростанции, "построенной сегодня", стоит около 0,05 доллара США за кВт⋅ч. В 2019 году в мире было доступно 13 900 мегаватт (МВт) геотермальной энергии. Дополнительные 28 гигаватт обеспечивали тепло для централизованного отопления, обогрева помещений, спа-центров, промышленных процессов, опреснения воды и сельскохозяйственных нужд по состоянию на 2010 год. По состоянию на 2019 год в отрасли было занято около ста тысяч человек. Прилагательное "геотермальный" происходит от греческих корней γῆ (gê), означающего Землю, и θερμός (thermós), означающего горячий.

История

Горячие источники использовались для купания, по крайней мере, с палеолита. Самый старый известный спа находится на месте дворца Хуацин Чи. В I веке н. э. римляне завоевали Акваэ Сулис, ныне Бат, Сомерсет, Англия, и использовали теплые источники для общественных бань и системы подогрева полов. Плата за посещение этих бань, вероятно, представляет собой первое коммерческое использование геотермальной энергии. Самая старая в мире система геотермального централизованного отопления в городе Шодес-Айгу (Франция) действует с XV века. Первая промышленная эксплуатация началась в 1827 году с использования пара гейзеров для извлечения борной кислоты из вулканической грязи в Лардерелло, Италия. В 1892 году первая система централизованного отопления в США в Бойсе, штат Айдахо, работала на геотермальной энергии. Она была скопирована в Кламат-Фоллс, Орегон, в 1900 году. Первым известным зданием в мире, использующим геотермальную энергию в качестве основного источника тепла, был отель Hot Lake в округе Юнион, штат Орегон, начиная с 1907 года. В 1926 году геотермальная скважина использовалась для обогрева теплиц в Бойсе, и примерно в то же время гейзеры использовались для обогрева теплиц в Исландии и Тоскане. Чарльз Либ разработал первый подземный теплообменник в 1930 году для отопления своего дома. Пар и вода из гейзеров начали использоваться для отопления домов в Исландии в 1943 году. [[Файл:geothermal capacity.svg|thumb|left|Мировая мощность геотермальной электроэнергетики. Верхняя красная линия – установленная мощность, нижняя зеленая линия – реализованная выработка. В 1911 году там была построена первая в мире коммерческая геотермальная электростанция. Она оставалась единственным промышленным производителем геотермальной энергии до тех пор, пока Новая Зеландия не построила электростанцию в 1958 году. В 2012 году она произвела около 594 мегаватт. В 1960 году компания Pacific Gas and Electric начала эксплуатацию первой геотермальной электростанции в США в районе Гейзерс в Калифорнии. Электростанция с двойным циклом была впервые продемонстрирована в 1967 году в СССР и внедрена в США в 1981 году. Эта технология позволяет вырабатывать электроэнергию из ресурсов с гораздо более низкой температурой, чем ранее. В 2006 году электростанция с двойным циклом в Ченна-Хот-Спрингс, Аляска, начала работу, производя электроэнергию из рекордно низкой температуры.

Геотермальное отопление

Геотермальное отопление — это использование геотермальной энергии для обогрева зданий и нагрева воды для бытовых нужд. Люди применяли этот метод с эпохи палеолита. В 2004 году около семидесяти стран использовали в общей сложности 270 ПДж геотермального тепла. По состоянию на 2007 год 28 ГВт геотермальной энергии обеспечивали 0,07% мирового потребления первичной энергии, которую можно получить с помощью теплового насоса грунта.

Гидротермальные системы

Гидротермальные системы вырабатывают геотермальную энергию, используя естественным образом существующие гидротермальные резервуары. Гидротермальные системы бывают паросодержащими или жидкосодержащими.

Растения, в которых преобладает пар

В Лардерелло и Гейзерах преобладает паросодержащая геотермальная система. В местах с преобладанием пара достигаются температуры от 240 до 300 °C, что обеспечивает получение перегретого пара.

Растения с преобладанием жидкости

Жидкие резервуары (LDR) более распространены при температурах выше определенного порога и встречаются вблизи вулканов в Тихом океане и его окрестностях, а также в рифтовых зонах и горячих точках. Флэш-электростанции – наиболее распространенный способ генерации электроэнергии из этих источников. Пара из скважины достаточна для работы электростанции. Большинство скважин вырабатывают 2–10 МВт электроэнергии. Пар отделяется от жидкости с помощью циклонных сепараторов и приводит в действие электрические генераторы. Конденсированная жидкость возвращается в скважину для повторного нагрева и использования. По состоянию на 2013 год крупнейшей жидкой системой была Cerro Prieto в Мексике, вырабатывающая 750 МВт электроэнергии при температурах до 350 °C (662 °F). Низкотемпературные LDR (120–200 °C) требуют насосного оборудования. Они распространены в областях растяжения, где нагрев происходит за счет глубокой циркуляции вдоль разломов, например, на западе США и в Турции. Вода проходит через теплообменник в бинарном цикле Ранкина. Вода испаряет органическую рабочую жидкость, которая вращает турбину. Эти бинарные электростанции были разработаны в Советском Союзе в конце 1960-х годов и в настоящее время преобладают при строительстве новых электростанций. Бинарные установки не производят выбросов.

Инженерные геотермальные системы

Инженерная геотермальная система – это геотермальная система, искусственно созданная или улучшенная инженерами. Инженерные геотермальные системы применяются в различных геотермальных коллекторах, содержащих горячие породы, но обладающих недостаточным качеством естественного коллектора, например, недостаточным количеством геофлюида или недостаточной проницаемостью и пористостью горных пород для функционирования как естественных гидротермальных систем. К типам инженерных геотермальных систем относятся геотермальные системы с улучшенной проницаемостью, замкнутые или передовые геотермальные системы, а также некоторые геотермальные системы сверхгорячих пород.

Улучшенные геотермальные системы

Улучшенные геотермальные системы (EGS) активно закачивают воду в скважины для нагрева и последующей откачки. Вода закачивается под высоким давлением для расширения существующих трещин в горных породах, обеспечивая свободную циркуляцию воды. Эта технология была адаптирована из методов гидроразрыва пласта, применяемых в нефтегазовой промышленности. Геологические формации находятся на большей глубине, и не используются токсичные химические вещества, что снижает риск нанесения вреда окружающей среде. Вместо этого для поддержания трещин открытыми и обеспечения оптимальной скорости потока используются такие проппанты, как песок или керамические частицы. Бурильщики могут применять наклонно-направленное бурение для увеличения размера пласта.

Социально-экономические выгоды

В январе 2024 года был опубликован отчет Программы содействия управлению энергетическим сектором (ESMAP) «Социоэкономическое воздействие развития геотермальной энергетики», в котором подчеркиваются существенные социально-экономические преимущества развития геотермальной энергетики, значительно превосходящие аналогичные показатели ветровой и солнечной энергетики, с созданием, по оценкам, 34 рабочих мест на мегаватт в различных секторах. В отчете подробно описано, как геотермальные проекты способствуют развитию квалификации посредством практического обучения непосредственно на рабочем месте и формального образования, тем самым укрепляя местную рабочую силу и расширяя возможности трудоустройства. Также подчеркивается характер сотрудничества при развитии геотермальной энергетики с местными сообществами, что приводит к улучшению инфраструктуры, программам повышения квалификации и моделям распределения доходов, тем самым повышая доступ к надежному электроснабжению и теплу. Эти улучшения способны повысить производительность сельского хозяйства и продовольственную безопасность. В отчете также рассматривается приверженность принципам гендерного равенства и социальной инклюзии посредством предоставления возможностей трудоустройства, образования и обучения для недостаточно представленных групп населения, обеспечивая справедливый доступ к преимуществам развития геотермальной энергетики. В совокупности эти усилия играют ключевую роль в стимулировании внутреннего экономического роста, увеличении фискальных поступлений и укреплении стабильности и диверсификации национальной экономики, а также обеспечивают значительные социальные выгоды, такие как улучшение здоровья, образования и сплоченности общества.

Разработка

Геотермальные проекты проходят несколько стадий разработки. С каждым этапом связаны определенные риски. Многие проекты прекращают реализовывать на стадиях разведки и геофизических изысканий, которые не подходят для традиционного банковского финансирования. На более поздних стадиях часто возможно финансирование за счет собственных средств.

Преципиратный скалирование

Обычная проблема, возникающая в геотермальных системах, связана с их расположением в карбонатных породах. В таких случаях жидкости, извлекающие тепло из недр, часто растворяют фрагменты породы при движении к поверхности, где они охлаждаются. При охлаждении жидкости растворенные катионы выпадают в осадок, что приводит к образованию кальциевого налета – процессу, известному как отложение кальцита. Это отложение кальцита может снижать дебит и требовать остановки системы для проведения технического обслуживания.

Устойчивость

Геотермальная энергия считается устойчивой, поскольку извлекаемое тепло незначительно по сравнению с тепловым содержанием Земли, которое примерно в 100 миллиардов раз превышает мировое годовое потребление энергии в 2010 году. Производство электроэнергии в Поихипи, Новая Зеландия. Производство электроэнергии в Охаки, Новая Зеландия. Производство электроэнергии в Вайракеи, Новая Зеландия.

Однако необходимо учитывать локальные последствия извлечения тепла. Электростанция Вайракеи была введена в эксплуатацию в ноябре 1958 года и достигла пиковой мощности в 173 МВт в 1965 году, но уже тогда поставки пара высокого давления стали падать. В 1982 году станция была переведена на среднее давление, а мощность снижена до 157 МВт. В 2005 году были добавлены две системы на изопентане мощностью 8 МВт каждая, что увеличило выработку примерно на 14 МВт. Подробные данные были утеряны в результате реорганизаций.

Соединенные Штаты

Согласно данным Ассоциации геотермальной энергии (GEA), установленная мощность геотермальных электростанций в Соединенных Штатах выросла на 5%, или на 147,05 МВт, в 2013 году. Этот прирост обеспечен семью геотермальными проектами, запущенными в эксплуатацию в 2012 году. GEA повысила свою оценку установленной мощности за 2011 год на 128 МВт, в результате чего общая установленная геотермальная мощность в США достигла 3386 МВт.

Венгрия

Муниципальное правительство Сегеда стремится сократить потребление газа на 50 процентов, используя геотермальную энергию для системы центрального теплоснабжения. Сегедская геотермальная электростанция располагает 27 скважинами, 16 котельными и 250 километрами распределительных трубопроводов.