Использование тепла Земли: обзор применения геотермальной энергии в мире

Геотермальная энергия, получаемая из внутреннего тепла Земли, представляет собой значительный и все более важный источник возобновляемой энергии. В отличие от солнечной или ветровой энергии, геотермальные ресурсы относительно постоянны и доступны круглосуточно, обеспечивая надежный вариант базовой энергетической нагрузки. В этой статье рассматриваются разнообразные применения геотермальной энергии по всему миру, подчеркивая ее потенциал для содействия более устойчивому энергетическому будущему.

Что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия — это тепло, содержащееся внутри Земли. Это тепло возникает в результате формирования планеты и радиоактивного распада в ядре Земли. Температурный градиент между ядром Земли (приблизительно 5200°C) и ее поверхностью создает непрерывный поток тепла наружу. Хотя это тепло огромно, оно не всегда легкодоступно. В определенных районах геологические условия концентрируют геотермальные ресурсы ближе к поверхности, что делает их экономически выгодными для эксплуатации. Эти районы часто связаны с вулканической активностью, границами тектонических плит и гидротермальными системами.

Типы геотермальных ресурсов

Геотермальные ресурсы различаются по температуре и доступности, что определяет технологии, используемые для их освоения. Основные типы включают:

• Высокотемпературные ресурсы: обычно находятся в вулканически активных районах, эти ресурсы (выше 150°C) идеально подходят для производства электроэнергии.
• Среднетемпературные ресурсы: эти ресурсы (от 70°C до 150°C) могут использоваться для производства электроэнергии с помощью электростанций с бинарным циклом или для прямого использования, например, для централизованного теплоснабжения и промышленных процессов.
• Низкотемпературные ресурсы: ресурсы ниже 70°C лучше всего подходят для прямого использования, например, для геотермальных тепловых насосов для отопления и охлаждения зданий, аквакультуры и обогрева теплиц.
• Усовершенствованные геотермальные системы (EGS): EGS предполагает создание искусственных геотермальных резервуаров в горячих сухих породах путем закачки воды для гидравлического разрыва пласта и извлечения тепла. Эта технология способна значительно расширить доступность геотермальной энергии.

Применение геотермальной энергии

Геотермальная энергия предлагает широкий спектр применений, способствуя как производству электроэнергии, так и прямому использованию для отопления и охлаждения.

1. Производство электроэнергии

Геотермальные электростанции используют пар или горячую воду из подземных резервуаров для приведения в движение турбин, соединенных с генераторами, производящими электроэнергию. Существует три основных типа геотермальных электростанций:

• Электростанции на сухом пару: эти станции напрямую используют пар из геотермальных резервуаров для вращения турбин. Это самый простой и экономичный тип геотермальных электростанций. Пример: гейзеры в Калифорнии, США.
• Электростанции с парогенератором мгновенного испарения: горячая вода под высоким давлением мгновенно превращается в пар в специальном резервуаре, и этот пар затем используется для вращения турбин. Это самый распространенный тип геотермальных электростанций. Пример: многие геотермальные станции в Исландии и Новой Зеландии.
• Электростанции с бинарным циклом: горячая вода из геотермального резервуара используется для нагрева вторичной жидкости с более низкой температурой кипения. Испарившаяся вторичная жидкость затем приводит в движение турбины. Станции с бинарным циклом могут использовать геотермальные ресурсы с более низкой температурой, чем станции с парогенератором мгновенного испарения. Пример: многие геотермальные станции на западе США и в Турции.

Мировые примеры:

• Исландия: мировой лидер в области геотермальной энергии, Исландия производит около 25% своей электроэнергии и отапливает около 90% своих домов за счет геотермальных ресурсов. Геотермальная электростанция Несьявеллир является ярким примером когенерационной установки (ТЭЦ).
• Филиппины: Филиппины входят в число ведущих мировых производителей геотермальной энергии, используя свою вулканическую активность для выработки значительной части электроэнергии.
• Индонезия: Индонезия обладает огромным геотермальным потенциалом благодаря своему расположению вдоль Тихоокеанского огненного кольца. Правительство активно содействует развитию геотермальной энергетики для снижения зависимости от ископаемого топлива.
• Кения: Кения является лидером в развитии геотермальной энергетики в Африке, реализуя такие крупные проекты, как комплекс геотермальных электростанций Олкария.
• США: Соединенные Штаты обладают значительными геотермальными мощностями, в основном расположенными в западных штатах. Геотермальное поле Гейзерс в Калифорнии является крупнейшим в мире комплексом по производству геотермальной энергии.
• Новая Зеландия: Новая Зеландия использует свои геотермальные ресурсы для выработки значительной части электроэнергии, при этом ключевую роль играют такие станции, как геотермальная электростанция Уаиракеи.

2. Прямое использование

Геотермальную энергию можно также использовать непосредственно для отопления и охлаждения, без преобразования в электроэнергию. Такое применение часто более энергоэффективно и экономически выгодно, чем производство электроэнергии, особенно при расположении вблизи геотермальных ресурсов.

• Централизованное теплоснабжение: геотермальная вода подается по трубам непосредственно в здания для отопления. Это распространенная практика в Исландии, Франции и других странах с доступными геотермальными ресурсами. Пример: в Париже, Франция, существует крупномасштабная система централизованного геотермального отопления.
• Геотермальные тепловые насосы (ГТН): ГТН используют постоянную температуру Земли на глубине нескольких метров для обеспечения отопления и охлаждения зданий. Они обладают высокой энергоэффективностью и могут использоваться практически в любой точке мира. ГТН становятся все более популярными для жилых и коммерческих зданий по всему миру.
• Применение в сельском хозяйстве: геотермальную энергию можно использовать для обогрева теплиц, сушки урожая и подогрева прудов для аквакультуры. Это может увеличить урожайность и продлить вегетационный период. Пример: геотермальные теплицы в Исландии используются для выращивания разнообразных фруктов и овощей.
• Промышленное применение: геотермальную энергию можно использовать в различных промышленных процессах, таких как пищевая промышленность, производство целлюлозы и бумаги, а также добыча полезных ископаемых.
• Курортное и рекреационное использование: геотермальные горячие источники веками использовались для купания и отдыха. Во многих странах процветает индустрия геотермального туризма. Пример: многочисленные курорты с горячими источниками в Японии и Исландии.

Мировые примеры:

• Кламат-Фолс, Орегон, США: здесь действует система централизованного теплоснабжения, которая использует геотермальную энергию для отопления зданий и предприятий.
• Мелкшем, Великобритания: растущее внедрение геотермальных тепловых насосов в новых жилых комплексах.
• Район озера Найваша в Кении: используется геотермальная энергия для садоводства, включая обогрев теплиц для выращивания цветов.

3. Усовершенствованные геотермальные системы (EGS)

Технология EGS направлена на раскрытие геотермального потенциала в районах, где присутствуют горячие сухие породы, но отсутствует достаточная проницаемость для естественной гидротермальной циркуляции. EGS предполагает закачку воды в недра для создания трещин и повышения проницаемости, что позволяет извлекать тепло. Эта технология способна значительно расширить доступность геотермальных ресурсов в мировом масштабе.

Проблемы и возможности:

• Технические проблемы: проекты EGS сталкиваются с техническими проблемами, связанными с созданием и поддержанием трещин, контролем потока воды и управлением наведенной сейсмичностью.
• Экономические проблемы: проекты EGS, как правило, дороже, чем традиционные геотермальные проекты, из-за необходимости бурения и гидравлического разрыва пласта.
• Потенциальные выгоды: EGS открывает возможность доступа к огромным геотермальным ресурсам в районах, которые ранее считались неподходящими для геотермальной разработки.

4. Геотермальные тепловые насосы (ГТН) – широкое распространение и глобальный рост

Геотермальные тепловые насосы (ГТН), также известные как грунтовые тепловые насосы, используют относительно постоянную температуру Земли на глубине нескольких футов под поверхностью. Эта температурная стабильность обеспечивает надежный источник тепла зимой и поглотитель тепла летом, что делает ГТН высокоэффективными как для отопления, так и для охлаждения. Коэффициент полезного действия (КПД) ГТН значительно выше, чем у традиционных систем отопления и охлаждения, что приводит к снижению энергопотребления и сокращению выбросов углерода.

Типы систем ГТН:

• Системы с замкнутым контуром: используют непрерывный контур из закопанных труб, заполненных теплоносителем (водой или антифризом). Теплообмен происходит между жидкостью и грунтом.
• Системы с открытым контуром: используют грунтовые воды в качестве теплоносителя. Вода откачивается из скважины, циркулирует через тепловой насос, а затем сбрасывается обратно в землю или используется для других целей.

Тенденции глобального внедрения:

• Северная Америка: ГТН широко используются в США и Канаде, особенно в жилых и коммерческих зданиях. Государственные стимулы и скидки от коммунальных служб способствовали их внедрению.
• Европа: использование ГТН в Европе быстро растет благодаря стандартам энергоэффективности и целям в области возобновляемой энергетики. Лидируют такие страны, как Швеция, Швейцария и Германия.
• Азиатско-Тихоокеанский регион: внедрение ГТН растет в таких странах, как Китай, Южная Корея и Япония, что обусловлено обеспокоенностью загрязнением воздуха и энергетической безопасностью.

Экологические преимущества геотермальной энергии

Геотермальная энергия — это чистый и устойчивый источник энергии с многочисленными экологическими преимуществами:

• Снижение выбросов парниковых газов: геотермальные электростанции выбрасывают значительно меньше парниковых газов, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе.
• Снижение загрязнения воздуха: геотермальная энергия не производит загрязнителей воздуха, таких как диоксид серы, оксиды азота и твердые частицы.
• Устойчивый ресурс: геотермальные ресурсы являются возобновляемыми и могут управляться устойчиво.
• Малая занимаемая площадь: геотермальные электростанции и объекты прямого использования обычно занимают небольшую площадь по сравнению с другими источниками энергии.
• Снижение потребления воды: геотермальные электростанции могут использовать переработанную воду или очищенные сточные воды для охлаждения, сокращая потребление пресной воды.

Проблемы и возможности для развития геотермальной энергетики

Хотя геотермальная энергия предлагает значительные преимущества, ее развитие сталкивается с рядом проблем:

• Высокие первоначальные затраты: геотермальные проекты обычно требуют высоких первоначальных затрат на разведку, бурение и строительство станции.
• Географические ограничения: геотермальные ресурсы распределены по миру неравномерно, что ограничивает их разработку районами с подходящими геологическими условиями.
• Технологические проблемы: разработка и совершенствование геотермальных технологий, таких как EGS, требуют постоянных исследований и разработок.
• Экологические проблемы: разработка геотермальных месторождений может оказывать воздействие на окружающую среду, такое как нарушение земель, использование воды и наведенная сейсмичность. Этими воздействиями необходимо тщательно управлять.
• Нормативные и разрешительные барьеры: геотермальные проекты могут сталкиваться со сложными нормативными и разрешительными процедурами, что может задерживать их развитие.

Несмотря на эти проблемы, геотермальная энергия открывает значительные возможности для устойчивого энергетического будущего:

• Растущий спрос на возобновляемую энергию: мировой спрос на возобновляемую энергию быстро растет, что обусловлено обеспокоенностью изменением климата и энергетической безопасностью.
• Технологические достижения: достижения в геотермальных технологиях, такие как EGS и усовершенствованные методы бурения, расширяют потенциал для развития геотермальной энергетики.
• Государственная поддержка: многие правительства предоставляют стимулы и политику для поддержки развития геотермальной энергетики.
• Инвестиции частного сектора: частный сектор все чаще инвестирует в геотермальную энергию, что обусловлено растущим спросом и потенциалом для привлекательной доходности.

Будущее геотермальной энергии

Геотермальная энергия способна сыграть значительную роль в глобальном переходе к устойчивому энергетическому будущему. По мере совершенствования технологий и снижения затрат геотермальная энергия, как ожидается, станет все более конкурентоспособным и привлекательным источником энергии. Применяя инновации, решая экологические проблемы и развивая сотрудничество, геотермальная промышленность может раскрыть свой полный потенциал и внести вклад в создание более чистого, безопасного и устойчивого мира. Будущее геотермальной энергии выглядит светлым, а текущие исследования и разработки прокладывают путь к более эффективному и широкому внедрению. Политическая поддержка и осведомленность общественности также имеют решающее значение для содействия росту этого ценного возобновляемого ресурса.

Заключение

Геотермальная энергия представляет собой жизнеспособный и все более важный компонент мирового баланса возобновляемых источников энергии. Ее разнообразные применения, от производства электроэнергии до прямого использования для отопления и охлаждения, предлагают устойчивые решения для различных секторов. Несмотря на сохраняющиеся проблемы, связанные с первоначальными затратами и географическими ограничениями, постоянные технологические достижения и растущий мировой спрос на чистую энергию стимулируют расширение геотермальной разработки во всем мире. Понимая потенциал и решая проблемы, мы можем использовать тепло Земли для создания более устойчивого и надежного энергетического будущего для всех.