Використання тепла Землі: Застосування геотермальної енергії у світі

Геотермальна енергія, що походить від внутрішнього тепла Землі, є значним і все більш важливим джерелом відновлюваної енергії. На відміну від сонячної чи вітрової енергії, геотермальні ресурси є відносно стабільними й доступними 24/7, пропонуючи надійний варіант базового навантаження. Цей допис у блозі досліджує різноманітні застосування геотермальної енергії по всьому світу, підкреслюючи її потенціал у сприянні більш сталому енергетичному майбутньому.

Що таке геотермальна енергія?

Геотермальна енергія — це тепло, що міститься всередині Землі. Це тепло походить від часів формування планети та радіоактивного розпаду в ядрі Землі. Градієнт температури між ядром Землі (приблизно 5,200°C) та її поверхнею створює безперервний потік тепла назовні. Хоча цього тепла багато, воно не завжди легкодоступне. У певних районах геологічні умови концентрують геотермальні ресурси ближче до поверхні, роблячи їх економічно вигідними для експлуатації. Ці райони часто пов'язані з вулканічною активністю, межами тектонічних плит та гідротермальними системами.

Типи геотермальних ресурсів

Геотермальні ресурси відрізняються за температурою та доступністю, що визначає технології, які використовуються для їх освоєння. Основні типи включають:

• Високотемпературні ресурси: Зазвичай знаходяться у вулканічно активних районах, ці ресурси (вище 150°C) ідеально підходять для виробництва електроенергії.
• Ресурси з помірною температурою: Ці ресурси (від 70°C до 150°C) можуть використовуватися для виробництва електроенергії за допомогою електростанцій з бінарним циклом або для прямого застосування, як-от централізоване опалення та промислові процеси.
• Низькотемпературні ресурси: Ресурси з температурою нижче 70°C найкраще підходять для прямого застосування, як-от геотермальні теплові насоси для опалення та охолодження будівель, аквакультури та опалення теплиць.
• Вдосконалені геотермальні системи (EGS): EGS передбачає створення штучних геотермальних резервуарів у гарячих сухих породах шляхом закачування води для розтріскування породи та видобутку тепла. Ця технологія має потенціал значно розширити доступність геотермальної енергії.

Застосування геотермальної енергії

Геотермальна енергія пропонує широкий спектр застосувань, сприяючи як виробництву електроенергії, так і прямому використанню тепла для опалення та охолодження.

1. Виробництво електроенергії

Геотермальні електростанції використовують пару або гарячу воду з підземних резервуарів для приводу турбін, з'єднаних з генераторами, що виробляють електроенергію. Існує три основних типи геотермальних електростанцій:

• Станції на сухій парі: Ці станції безпосередньо використовують пару з геотермальних резервуарів для обертання турбін. Це найпростіший і найекономічніший тип геотермальної електростанції. Приклад: «Гейзери» в Каліфорнії, США.
• Станції з пароутворенням: Гаряча вода під високим тиском миттєво перетворюється на пару в сепараторі, а пара потім використовується для обертання турбін. Це найпоширеніший тип геотермальної електростанції. Приклад: багато геотермальних станцій в Ісландії та Новій Зеландії.
• Станції з бінарним циклом: Гаряча вода з геотермального резервуара використовується для нагрівання вторинної рідини з нижчою температурою кипіння. Випарувана вторинна рідина потім приводить у рух турбіни. Станції з бінарним циклом можуть використовувати геотермальні ресурси з нижчою температурою, ніж станції з пароутворенням. Приклад: багато геотермальних станцій на заході США та в Туреччині.

Світові приклади:

• Ісландія: Світовий лідер у галузі геотермальної енергетики, Ісландія виробляє приблизно 25% своєї електроенергії та опалює близько 90% своїх будинків за допомогою геотермальних ресурсів. Геотермальна електростанція «Несьявеллір» є яскравим прикладом комбінованої теплоелектроцентралі (ТЕЦ).
• Філіппіни: Філіппіни входять до числа провідних світових виробників геотермальної енергії, використовуючи свою вулканічну активність для виробництва значної частини електроенергії.
• Індонезія: Індонезія має величезний геотермальний потенціал завдяки своєму розташуванню вздовж Тихоокеанського вогняного кільця. Уряд активно сприяє розвитку геотермальної енергетики для зменшення залежності від викопного палива.
• Кенія: Кенія є лідером у розвитку геотермальної енергетики в Африці, з такими значними проєктами, як комплекс геотермальних електростанцій «Олкарія».
• США: Сполучені Штати мають значні геотермальні потужності, розташовані переважно в західних штатах. Геотермальне поле «Гейзери» в Каліфорнії є найбільшим у світі комплексом з виробництва геотермальної енергії.
• Нова Зеландія: Нова Зеландія використовує свої геотермальні ресурси для виробництва значної частини електроенергії, ключову роль у цьому відіграють такі станції, як геотермальна електростанція «Вайракей».

2. Пряме використання

Геотермальну енергію можна також використовувати безпосередньо для опалення та охолодження, без перетворення на електроенергію. Ці застосування часто є більш енергоефективними та економічно вигідними, ніж виробництво електроенергії, особливо коли вони розташовані поблизу геотермальних ресурсів.

• Централізоване опалення: Геотермальна вода подається по трубах безпосередньо до будівель для опалення. Це поширена практика в Ісландії, Франції та інших країнах з доступними геотермальними ресурсами. Приклад: Париж, Франція, має велику систему централізованого геотермального опалення.
• Геотермальні теплові насоси (ГТН): ГТН використовують постійну температуру Землі на глибині кількох метрів для забезпечення опалення та охолодження будівель. Вони є високоефективними і можуть використовуватися практично в будь-якій точці світу. ГТН стають все більш популярними для житлових та комерційних будівель у всьому світі.
• Застосування в сільському господарстві: Геотермальна енергія може використовуватися для обігріву теплиць, сушіння врожаю та підігріву ставків для аквакультури. Це може збільшити врожайність та продовжити вегетаційний період. Приклад: геотермальні теплиці в Ісландії використовуються для вирощування різноманітних фруктів та овочів.
• Промислове застосування: Геотермальну енергію можна використовувати в різноманітних промислових процесах, таких як харчова промисловість, виробництво целюлози та паперу, а також видобуток корисних копалин.
• Спа та рекреаційне використання: Геотермальні гарячі джерела століттями використовувалися для купання та відпочинку. Багато країн мають процвітаючу індустрію геотермального туризму. Приклад: численні курорти з гарячими джерелами в Японії та Ісландії.

Світові приклади:

• Кламат-Фоллс, Орегон, США: Має систему централізованого опалення, яка використовує геотермальну енергію для обігріву будівель та підприємств.
• Мелкшем, Велика Британія: Зростає впровадження ґрунтових теплових насосів у нових житлових комплексах.
• Регіон озера Найваша в Кенії: Використовує геотермальну енергію для садівництва, включаючи обігрів теплиць для вирощування квітів.

3. Вдосконалені геотермальні системи (EGS)

Технологія EGS має на меті розкрити геотермальний потенціал у районах, де є гарячі сухі породи, але бракує достатньої проникності для природної гідротермальної циркуляції. EGS передбачає закачування води в підземні шари для створення тріщин і підвищення проникності, що дозволяє видобувати тепло. Ця технологія має потенціал значно розширити доступність геотермальних ресурсів у всьому світі.

Виклики та можливості:

• Технічні виклики: Проєкти EGS стикаються з технічними проблемами, пов'язаними зі створенням та підтриманням тріщин, контролем потоку води та управлінням індукованою сейсмічністю.
• Економічні виклики: Проєкти EGS, як правило, дорожчі за звичайні геотермальні проєкти через необхідність буріння та гідравлічного розриву пласта.
• Потенційні переваги: EGS пропонує потенціал для доступу до величезних геотермальних ресурсів у районах, які раніше вважалися непридатними для геотермального розвитку.

4. Геотермальні теплові насоси (ГТН) – широке впровадження та глобальне зростання

Геотермальні теплові насоси (ГТН), також відомі як ґрунтові теплові насоси, використовують відносно постійну температуру Землі на глибині кількох метрів. Ця стабільність температури забезпечує надійне джерело тепла взимку та поглинач тепла влітку, що робить ГТН високоефективними як для опалення, так і для охолодження. Коефіцієнт ефективності (COP) ГТН значно вищий, ніж у традиційних систем опалення та охолодження, що призводить до меншого споживання енергії та скорочення викидів вуглецю.

Типи систем ГТН:

• Системи із закритим контуром: Використовують безперервний контур заглиблених труб, заповнених теплоносієм (вода або антифриз). Теплообмін відбувається між рідиною та ґрунтом.
• Системи з відкритим контуром: Використовують ґрунтову воду як теплоносій. Вода закачується зі свердловини, циркулює через тепловий насос, а потім повертається назад у ґрунт або використовується для інших цілей.

Тенденції глобального впровадження:

• Північна Америка: ГТН широко використовуються в США та Канаді, особливо в житлових та комерційних будівлях. Урядові стимули та субсидії від комунальних служб сприяли їх впровадженню.
• Європа: Використання ГТН стрімко зростає в Європі, що зумовлено стандартами енергоефективності та цілями у сфері відновлюваної енергетики. Такі країни, як Швеція, Швейцарія та Німеччина, є лідерами в цьому напрямку.
• Азійсько-Тихоокеанський регіон: Впровадження ГТН зростає в таких країнах, як Китай, Південна Корея та Японія, через занепокоєння щодо забруднення повітря та енергетичної безпеки.

Екологічні переваги геотермальної енергії

Геотермальна енергія є чистим і стійким джерелом енергії з численними екологічними перевагами:

• Зменшення викидів парникових газів: Геотермальні електростанції викидають значно менше парникових газів, ніж електростанції, що працюють на викопному паливі.
• Зменшення забруднення повітря: Геотермальна енергія не виробляє забруднювачів повітря, таких як діоксид сірки, оксиди азоту та тверді частинки.
• Сталий ресурс: Геотермальні ресурси є відновлюваними і можуть управлятися на засадах сталого розвитку.
• Незначний вплив на земельні ресурси: Геотермальні електростанції та об'єкти прямого використання зазвичай займають невелику площу порівняно з іншими джерелами енергії.
• Зменшене споживання води: Геотермальні електростанції можуть використовувати перероблену воду або очищені стічні води для охолодження, зменшуючи споживання прісної води.

Виклики та можливості для розвитку геотермальної енергетики

Хоча геотермальна енергія пропонує значні переваги, її розвиток стикається з кількома викликами:

• Високі початкові витрати: Геотермальні проєкти зазвичай мають високі початкові витрати на розвідку, буріння та будівництво станції.
• Географічні обмеження: Геотермальні ресурси нерівномірно розподілені по світу, що обмежує розвиток районами з відповідними геологічними умовами.
• Технологічні виклики: Розробка та вдосконалення геотермальних технологій, таких як EGS, потребує постійних досліджень та розробок.
• Екологічні проблеми: Розвиток геотермальної енергетики може мати вплив на навколишнє середовище, такий як порушення земель, використання води та індукована сейсмічність. Ці впливи необхідно ретельно контролювати.
• Регуляторні та дозвільні перешкоди: Геотермальні проєкти можуть стикатися зі складними регуляторними та дозвільними процесами, що може затримувати розвиток.

Незважаючи на ці виклики, геотермальна енергія пропонує значні можливості для сталого енергетичного майбутнього:

• Зростаючий попит на відновлювану енергію: Глобальний попит на відновлювану енергію стрімко зростає, що зумовлено занепокоєнням щодо зміни клімату та енергетичної безпеки.
• Технологічні досягнення: Прогрес у геотермальних технологіях, таких як EGS та вдосконалені методи буріння, розширює потенціал для розвитку геотермальної енергетики.
• Державна підтримка: Багато урядів надають стимули та розробляють політику для підтримки розвитку геотермальної енергетики.
• Інвестиції приватного сектору: Приватний сектор все більше інвестує в геотермальну енергетику, що зумовлено зростаючим попитом та потенціалом привабливих прибутків.

Майбутнє геотермальної енергії

Геотермальна енергія має потенціал відігравати значну роль у глобальному переході до сталого енергетичного майбутнього. З удосконаленням технологій та зниженням витрат геотермальна енергія, як очікується, стане все більш конкурентоспроможним та привабливим джерелом енергії. Завдяки інноваціям, вирішенню екологічних проблем та сприянню співпраці, геотермальна промисловість може розкрити свій повний потенціал і сприяти створенню чистішого, безпечнішого та більш сталого світу. Майбутнє геотермальної енергії виглядає світлим, а поточні дослідження та розробки прокладають шлях до більш ефективного та широкого впровадження. Політична підтримка та громадська обізнаність також є вирішальними для сприяння зростанню цього цінного відновлюваного ресурсу.

Висновок

Геотермальна енергія є життєздатним і все більш важливим компонентом глобального комплексу відновлюваних джерел енергії. Її різноманітні застосування, від виробництва електроенергії до прямого використання для опалення та охолодження, пропонують стійкі рішення для різних секторів. Хоча залишаються виклики, пов'язані з початковими витратами та географічними обмеженнями, постійні технологічні досягнення та зростаючий глобальний попит на чисту енергію стимулюють розширення розвитку геотермальної енергетики у всьому світі. Розуміючи потенціал та вирішуючи проблеми, ми можемо використовувати тепло Землі для створення більш сталого та стійкого енергетичного майбутнього для всіх.