Основи екології - Олійник Я.Б. - 6.2.4. Геотермальна енергетика

Геотермальна енергія - це енергія у формі тепла, що акумулюється нижче поверхні "твердої" Землі. У 1 л "внутрішнього простору" Землі накопичено у середньому 2,6 кВт енергії. За рахунок теплоємності Землі люди могли б на ЗО млн років задовольнити сучасні світові потреби в енергії. Отже, накопичені в Землі запаси енергії є такими ж невичерпними, як і запаси енергії Сонця.

Геотермальна енергія - це тепло Землі, яке утворюється переважно внаслідок розпаду радіоактивних речовин у земній корі та мантії. Температура земної кори углиб підвищується на 2,5- З °С через кожні 100 м (так званий геотермальний градієнт). Так, на глибині 20 км вона досягає близько 500 °С, на глибині 50 км - 700-800 °С. У певних місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих "гарячих точках", температурний градієнт вище майже у 10 разів: на глибині 500-1000 м температура порід сягає 3000 °С. Однак для нормального використання геотермальних енергоресурсів достатньо значно менших температур.

Усю природну теплоту, яка міститься у земній корі, можна розглядати як геотермальні ресурси двох видів: по-перше, це пара, вода, газ; по-друге, це розігріті гірські породи. Гідротермальні джерела енергії поділяють на термальні води, пароводяні суміші і природну пару. Для отримання теплоти, акумульованої у надрах Землі, її спочатку треба підняти на поверхню. Для цього закладають свердловини і, якщо температура висока, то вода піднімається на поверхню природним чином; за нижчої температури може знадобитися насос.

Геотермальні води - екологічно чисте джерело енергії, що постійно відновлюється. Воно суттєво відрізняється від інших альтернативних джерел енергії тим, що його можна використовувати незалежно від кліматичних умов, погоди і пори року. За температурою геотермальні води поділяють на слаботермальні - до 40 °С, високотермальні - 60-100 °С, перегріті - понад 100 °С. Також вони різняться за мінералізацією, кислотністю, газовим складом, тиском і глибиною залягання.

Є два типи геотермальних електростанцій (ГеоТЕС): перші для генерування струму використовують пару, другі - перегріті геотермальні води. У перших суха пара зі свердловини надходить у турбіну або генератор для вироблення електроенергії. На станціях другого типу використовуються геотермальні води температурою понад 190 °С. Вода природним чином підіймається вгору свердловиною, подається у сепаратор, де внаслідок зменшення тиску частина ЇЇ кипить і перетворюється на пару. Пара спрямовується у генератор або турбіну і виробляє електрику. Це найбільш поширений тип ГеоТЕС.

Значні масштаби розвитку геотермальної енергетики у майбутньому можливі лише за умов одержання теплової енергії безпосередньо з гірських порід. У цьому випадку в місцях, де знайдено сухі гарячі скельні породи, закладають паралельні свердловини, між якими утворюють систему тріщин. Тобто фактично формується штучний геотермальний резервуар, у який подається холодна вода з подальшим отриманням пари або пароводяної суміші.

Загалом геотермальна енергія Землі оцінюється потужністю близько 32 тис. ГВт. її значні виходи на поверхню локалізовані в районах вулканічної активності, де концентрація підземного тепла дуже велика. Якщо комплекс пористих та проникних гірських порід виявиться розташованим біля приповерхневого магматичного тіла, котре увійшло в континентальну кору, то виникає підземний резервуар пари та води, нагрітих магмою. Гарячі вода і пара, що є в порах порід, формують так звані "геотермальні басейни". Якщо такий "басейн" містить проникні гірські породи, то гаряча вода і пара можуть виходити на поверхню через свердловини та використовуватися для приведення у дію електричних турбін. Оскільки пара більш придатна для енергогенеруючих турбін, то поки освоюються здебільшого ті геотермальні басейни, які містять пару.

За сучасними оцінками, геотермальна енергія, акумульована у перших 10 км земної кори, досягає 137 трлн т умовного палива, що у 10 разів перевищує геологічні ресурси усіх видів палива, разом узятих. З усіх видів геотермальної енергії найкращі економічні показники мають гідрогеотермальні ресурси - термальні води, пароводяні суміші і природна пара. Гідрогеотермальні ресурси, які практично використовуються на сьогодні, становлять лише 1 % від загального теплового запасу надр. Досвід показав, що перспективними варто вважати ті регіони, де зростання температури з глибиною відбувається досить інтенсивно, колекторські властивості гірських порід дозволяють одержувати з тріщин значні кількості нагрітої води чи пари, а мінеральний склад термальних вод не створює додаткових труднощів (на кшталт боротьби з відкладеннями солей і корозією устаткування).

Аналіз економічної доцільності широкого використання термальних вод показує, що їх варто застосовувати для опалення і гарячого водопостачання комунально-побутових, сільськогосподарських і промислових підприємств, для технологічних цілей, добування цінних хімічних компонентів та ін. Гідрогеотермальні ресурси, придатні для одержання електроенергії, становлять 4 % від загальних прогнозних запасів, тому їх використання у майбутньому варто пов'язувати з теплопостачанням і теплофікацією місцевих об'єктів. До категорії гідротермальних конвективних систем належать підземні басейни пари чи гарячої води, які виходять на поверхню землі, утворюючи гейзери, фумароли, грязьові озера тощо. їх використовують для виробництва електроенергії за допомогою пари, яка утворюється при випаровуванні гарячої води на поверхні.

Іншим способом виробництва електроенергії на базі високо-та середньотемпературних геотермальних вод є застосування двоконтурного (бінарного) циклу. При цьому вода, отримана з басейну, використовується для нагрівання теплоносія другого контуру (фреону чи ізобутану), котрий має меншу температуру кипіння. Установки, що використовують фреон як теплоносій другого контуру, працюють у діапазоні температур 75-150 °С при одиничній потужності 10-100 кВт.

Крім цього, на сьогодні розроблені і застосовуються різні методи і технології використання геотермальної енергії, зосередженої як недалеко від поверхні землі (приповерхнева геотермія), так і на значних глибинах (глибинна геотермія).