Основи екології - Олійник Я.Б. - Глибинна геотермія

Геотермічні ресурси можна використовувати вже на перших 100 м глибини, хоча там температура дорівнює лише 8-15 °С. Для одержання більш високих температур для теплопостачання додатково необхідний лише тепловий насос. Ґрунтові теплові насоси накопичують первинну енергію та оберігають тим самим навколишнє середовище і клімат. Наприклад, у Німеччині земля Північний Рейн-Вестфалія підтримує таке обладнання за допомогою програми "Раціональне використання енергії та застосування відновлювальних джерел енергії".

Для вироблення теплової енергії у приповерхневій геотермії застосовують геотермальні теплові насоси, що використовують тепло ґрунтових вод. У придатних місцях ґрунтові води можна відбирати через свердловину та підводити прямо до теплового насоса. Однак воду необхідно знову накачувати в ґрунт, так що крім підвідної свердловини, необхідно встановлювати ще й так звану "поглинальну" свердловину.

Середня температура Землі на глибині 3-5 м упродовж року становить 10-13 °С і вище. Цим можна скористатися для опалення і охолодження будинків, виробничих приміщень, тваринницьких ферм за допомогою теплообмінників і теплонасосних установок, що дасть змогу заощаджувати до 50-70 % теплоти, яка використовується для створення оптимального температурного режиму у цих приміщеннях. Для цього в землі за певною схемою прокладають канали для руху повітря або заривають труби, у які подається вода (чи інший теплоносій). Незалежно від того, що циркулює в системі, за рахунок теплообміну із землею такий тепловий насос може поглинати тепло землі і передавати його в будинок у холодну пору року або переміщувати тепло з будинку у землю під час спеки. У деяких випадках використання теплової геотермальної помпи дозволяє економити до 2/3 енергії, що використовується для опалення.

Геотермальні установки потребують зовсім невеликих ділянок землі, набагато менших, ніж необхідні під енергетичні установки інших типів. Вони можуть розміщуватися майже на будь-яких землях, включаючи сільськогосподарські угіддя. Якби можна було використовувати усього лише 1 % геотермальної енергії земної кори (до глибини 10 км), то людство мало б у своєму розпорядженні кількість енергії, що у 500 разів перевищує всі світові запаси нафти й газу.

Ґрунтові колектори. На глибині близько 0,8-1,6 м у ґрунт горизонтально прокладають пластикові трубки теплообмінника. За допомогою циркулюючої рідини-теплоносія тепло відбирається з ґрунту і доводиться до необхідного рівня температури за допомогою теплового насоса.

Геотермальні зонди. Зонди - це вертикальні, найчастіше глибиною від 30 до 100 м, а іноді й глибші, свердловини, у яких встановлюються пластикові трубки. Вони є найпоширенішим типом обладнання у Центральній та Північній Європі. Зонди, наповнені рідиною-теплоносієм, нагрівають або охолоджують підключені до теплового насоса окремі житлові будинки, офіси або навіть цілі житлові комплекси.

Бетонні елементи, що контактують з ґрунтом, енергетичні палі. Передбачається застосування статичних необхідних елементів та/або фундаментних паль, а також стін в ґрунті. У новобудовах їх можна обладнати трубками теплообмінника і разом з тепловим насосом економно використовувати для опалення й охолодження будинку.

Глибинна геотермія

Глибинні геотермальні зонди. Принцип глибинних геотермальних зондів глибиною більше 500 м вперше був випробуваний у Швейцарії на початку 90-х років XX ст. Тоді хотіли продовжити використання старих свердловин, наприклад, свердловин для пошуку нафти і природного газу. Починаючи з 1994 р" у м. Пренцлау (Бранденбург) експлуатується глибинний геотермальний зонд глибиною майже 3000 м з використанням свердловини, що існувала раніше. Отримана енергія акумулюється в мережі централізованого теплопостачання міських електростанцій. Тепловий насос у вигляді проміжного нагрівального елемента увімкнений для підвищення рівня геотермальних температур до температури тепла, що подається мережами централізованого теплопостачання.

Сучасні квартири і будинки проектуються таким чином, щоб для них потрібна була лише незначна кількість теплової енергії; опалювальні системи виконуються у вигляді низькотемпературних установок. Тому вода, нагріта у глибинному геотермальному зонді, через теплообмінник віддає свою енергію в будинки, а потім в охолодженому виді повертається назад у надра для того, щоб знову там нагрітися і повторити свій цикл.

Геотермальні електростанції є на всіх континентах; у більшості випадків вони розташовані біля родовищ пари і гарячих термальних вод. На цих ГеоТЕС цілодобово виробляється електроенергія. Освоєні поки що не всі відповідні ресурси, але нові технологи розширюють можливості. Наприклад, у Німеччині температура води у більшості відомих родовищ становить приблизно від 40 до 100 °С, у долині Верхнього Рейну та у Баварії є родовища термальних вод з температурою більше ніж 100 °С. Тепла або гаряча вода подається на поверхню через глибоку свердловину, потім охолоджується і через іншу свердловину знову відводиться назад у ґрунт, причому у той самий шар, з якого вона була відібрана. Таким чином, у ґрунті зберігається гідравлічний баланс, і не викачуються запаси термальних вод. Отримане від води тепло передається в мережу централізованого теплопостачання. Таку систему теплопостачання за допомогою двох свердловин називають геотермальним дублетом. У Німеччині їхня глибина становить від 800 до 2500 м. Геотермальні ТЕЦ можуть забезпечувати теплом багато тисяч квартир.

Місто Альтгейм у Верхній Австрії у 2000 р. стало першим містом, розташованим північніше від Альп, що повністю забезпечується геотермальним теплом. З розвитком теплових турбін стало можливим використання гарячих термальних вод з температурою 106 °С для виробництва електроенергії.

Значним кроком уперед стали електростанції, що працюють за технологією "Ноі-Вгу-Коск" ("гарячі сухі гірські породи": НОК-електростанції). Основний принцип їх дії відносно простий: глибинні гарячі гірські породи освоюються за допомогою свердловин. За допомогою тиску води, тобто гідравлічно, між свердловинами утворюються або розширюються існуючі протоки. Так формуються своєрідні підземні теплообмінники, у яких може нагріватися вода, що закачується з поверхні землі, для того, щоб знову доставлятися вгору і приводити у дію турбіну. Циркуляція в НБК-системах відбувається замкнутим контуром під тиском, що перешкоджає закипанню води. Таким чином, пара утворюється тільки на турбіні. Європейські дослідники вийшли у світові лідери у сфері розвитку HDR-технології.

Отже, тепло можна не тільки отримувати із землі, а й акумулювати в землі. Влітку надлишок тепла з будинків можна передавати у ґрунт через геотермальні зонди або енергетичні палі. Взимку тепло можна назад забирати з ґрунту. Якщо в ґрунті е водоносний шар без течії або з незначною течією води, його можна використовувати для безпосереднього акумулювання тепла. Такий водоносний резервуар є, наприклад, у будинку Берлінського Рейхстагу. Влітку там через свердловини у ґрунт відводяться залишки тепла з теплоелектроцентралі. Пізніше під час опалювального сезону їх можна знову використати.

У 1994 р. в Європі була створена перша установка, що працює за методом уловлювання сонячної енергії з поверхні доріг - підвісний віадук над державною дорогою недалеко від м. Дерлігенам Тунерзее (Швейцарія). Ця ділянка дороги вирізнялася дуже високою аварійністю внаслідок частого і несподіваного утворення ожеледі. Під поверхнею дороги, що нагрівається під дією Сонця, встановлені змійовики, що віддають зібране тепло у накопичувач геотермального тепла. Потім узимку в критичних метеорологічних умовах тепло знову передається з накопичувача і запобігає утворенню ожеледі.

Незважаючи на те, що тепло Землі віддавна використовували у різноманітних цілях - і для мінеральних ванн, і для виробництва енергії, завжди основним було питання: чи є у певному місці необхідне підземне тепло. Проте тепер ведеться розробка нових, ефективніших шляхів використання земної енергії. Американська компанія, що працює тільки з відновлювальною енергією, розробляє шляхи використання пари на своєму новому підприємстві у штаті Юта. Геотермальна енергія становить лише 1% виробництва електроенергії у США, здебільшого тому, що відповідні підземні температури існують лише в місцях теперішньої чи колишньої вулканічної активності. Втім тепер завдяки ресурсам і новим технологіям можна задовольняти більш як третину енергетичних потреб країни.

Зазвичай ГеоТЕС потребують значних інвестицій, п'яти-шести років побудови і діють тільки на гарячій воді. Тепер фахівці із США спроможні виробляти електроенергію на воді, лише трохи теплішій від звичайної чашки кави. Гаряча джерельна вода передається у спеціальну машину і нагріває спіраль, та виробляє пару, що, у свою чергу, рухає турбіну, яка виробляє електроенергію. При цьому водні ресурси не забираються із землі - їх піднімають, пропускають через систему і повертають назад у землю. Цей процес дає змогу набагато збільшити кількість місць, де можна використовувати геотермальну енергію. Наприклад, ГеоТЕС у штаті Юта була побудована за один рік і вже постачає електроенергію у 15 тис. будинків м. Анагайма в Каліфорнії.

Геотермальна енергія вважається найбільш надійним джерелом відновної енергії. Тепло землі доступне вдень і вночі незалежно від погоди. Сполучені Штати Америки використовують геотермальну енергію більше, ніж інші країни, і в наступне десятиріччя можуть збільшити її вдвічі або й утричі.

Гаряча вода з свердловини попередньо збирається в резервуар, з якого подається споживачам за допомогою насосів. Регулювання відпуску тепла у системі опалення проводиться змінами затрат води за допомогою регуляторів опалення. Відпрацьовану воду можна спускати у природне середовище без очищення: вона відповідає санітарним нормам. Найперспективнішим способом відбору глибинного тепла є створення підземних циркуляційних систем з повним або частковим поверненням відпрацьованої води у продуктивні пласти. Ці системи запобігають виснаженню запасів геотермальних вод, підтримують гідравлічну рівновагу у підземних пластах, запобігають забрудненню природного середовища у місцях знаходження геотермальних об'єктів.

Використання потенціалу навіть слаботермальних вод (від +30 °С) широко практикується у країнах Європи і США для опалення будинків, виробничих приміщень, тваринницьких ферм за допомогою теплообмінників і теплонасосних установок. Це дає можливість економити до 50-70 % тепла, яке використовується для створення температурного режиму у приміщеннях. Для роботи такої системи зовнішнє повітря подається у повітропроводи, розташовані на глибині 3 м, а потім у приміщення. Взимку повітря під землею нагрівається, а потім охолоджується. Така система вентиляції вперше була змонтована у 1977 р. у США для створення мікроклімату у свинарнику площею 7,2x15 м. Теплообмінник складається з 12 повітропроводів довжиною ЗО м, заглиблених у землю на 3 м. Взимку повітря у приміщенні нагрівають до +25 °С при температурі зовні -28 °С, а влітку охолоджують до +14 °С при температурі зовні +35 °С.

Також успішно використовується тепло високотемпературних термальних вод для одержання електроенергії, а низькотемпературних - для опалення житлових будинків, плавальних басейнів і теплиць, вирощування овочів і фруктів у таких країнах, як Нова Зеландія, Ісландія, Італія, Росія, Грузія, Франція, Угорщина і багатьох інших. В Угорщині, наприклад, площа геотермальних теплиць дорівнює 1,5 млн м2. На ці та інші потреби кожного року використовується 30 млн Гкал геотермальної енергії.

"Країна льодовиків", Ісландія, ефективно використовує гідротермальну енергію своїх надр: відомо понад 700 термальних джерел, які виходять на земну поверхню. Близько 60 % населення користується геотермальними водами для обігріву житлових приміщень, а у найближчому майбутньому планується довести цей показник до 80 %. При середній температурі води 87 °С річне споживання енергії гарячої води становить 15 млн ГДж, що допомагає економити 500 тис, т кам'яного вугілля щороку. Крім того, ісландські теплиці, де вирощують овочі, фрукти, квіти і навіть банани, споживають щорічно до 150 тис. м3 гарячої води, тобто понад 1,5 млн ГДж теплової енергії. Столиця країни - Рейк'явік - протягом останніх 40-50 років повністю опалюється підземним теплом. Потужність геотермальної опалювальної системи у Рейк'явіку становить 350 МВт і обслуговує понад 100 тис. жителів.

Перше місце з вироблення електроенергії з гарячих гідротермальних джерел посідає США. У долині Великих Гейзерів (штат Каліфорнія) знаходиться одна з найпотужніших у світі ГеоТЕС потужністю 1400 МВт. У штаті Нью-Мексико станція працює за такою схемою: температура скельних порід на глибині 4 км сягає 185 °С. Вода, яка закачується насосами через свердловину, нагрівається і вже у вигляді пари з температурою 150 °С повертається на поверхню, де обертає турбіни електростанції і таким чином живить електроенергією селище з двотисячним населенням, а відпрацьована гаряча вода подається в систему центрального опалення.

Значні запаси геотермальних вод є й в Україні - на Закарпатті, у Криму, а також у Львівській, Донецькій, Запорізькій, Луганській, Полтавській, Харківській, Херсонській, Чернігівській та інших областях. Ці запаси вже сьогодні рентабельно використовують не тільки для теплопостачання різних споживачів, а й для виробництва електроенергії. Розвиток геотермальної енергетики в Україні визначається наявністю значних ресурсів геотермальної енергії, які за своїм тепловим еквівалентом перевищують запаси традиційного енергетичного палива.

Найбільш перспективним для розвитку геотермальної енергетики регіоном України є Закарпаття, де, за геологічними і геофізичними даними, на глибині до 6 км температури гірських порід досягають 230-275 °С. Легкодоступними є геотермальні бурові свердловини глибиною від 55 до 1500 м, де температура води у гирлі свердловини становить 40-60 °С, а на глибинах до 2000 м температура зростає до 90-100 °С. На Закарпатті є унікальне місце площею ЗО км2 у районі с. Защелочі з ізотермою сухих порід +200 °С на глибині 4 км. Цих запасів вистачає для роботи невеликих ГеоТЕС і тепличних агропромислових комплексів. У 1999 р. почалася експлуатація першої на Закарпатті геотермальної установки для потреб теплозабезпечення санаторію "Косино" Берегівського району. Бурові свердловини глибиною від 900 до 1300 м забезпечують добове видобування термальної води температурою +32 °С в об'ємі 7500 ма. Для потреб теплопостачання санаторію застосовується насосний спосіб видобування термальних вод, який забезпечує за допомогою сучасних пластинчатих теплообмінників загальну теплову потужність установки 1,2 МВт. Для пікового нагрівання води тепломережі використовують водонагрівальний котел на рідкому паливі. Експлуатація цієї енергетичної установки забезпечує економію 143 т у. п. на рік.

Значні ресурси геотермальної енергії також має Крим, для якого найбільш перспективними є Тарханкутський і Керченський півострови, де спостерігаються невеликі геотермальні градієнти, а температура гірських порід ва глибинах 3,5-4 км може досягати 160-180 °С. Для поліпшення енергопостачання у Криму заплановане будівництво ГеоТЕС потужністю 6 МВт - у західній частині півострова, де на глибині 4 км є вода з температурою 250 °С їх загальна потужність дорівнюватиме більше ніж 100 МВт.

Загалом доцільність використання геотермальної енергії визначається капітальними витратами на спорудження свердловин, вартість яких зростає зі збільшенням глибини. Оптимальна глибина свердловин - у середньому 5 км. Геотермальні води використовують двома способами: фонтанним (теплоносій викидається у навколишнє середовище) і циркуляційним (теплоносій закачується назад у продуктивну товщу). Перший спосіб дешевший, але екологічно небезпечний, другий дорожчий, але забезпечує збереження навколишнього середовища. Одночасно з добуванням тепла можна здійснювати і добування хімічних елементів та їх сполук з розсолів. Це, наприклад, сполуки магнію, літію та брому.

Як і будь-яке інше джерело енергії, використання геотермальної енергії має певні переваги і недоліки.

Геотермальну енергію отримують від джерел тепла з високими температурами, тому вона має декілька особливостей: по-перше, температура теплоносія значно менша за температуру спалювання традиційного палива; по-друге, найкращий спосіб використання геотермальної енергії - комбінований (видобуток електроенергії та обігрів).

Як вже було зазначено, температура у верхніх шарах Землі кожні 100 м збільшується у середньому на З °С. У верхній мантії температура сягає 1200 °С, у ядрі, ймовірно, 6000 °С. Значення температур безпосередньо біля поверхні Землі визначаються майже винятково дією Сонця. А оскільки ґрунт погано проводить тепло, то на глибині нижче за 15-20 м вплив Сонця майже не відчувається. Тому порівняно з іншими способами отримання енергії геотермія має таку значну перевагу: вона завжди наявна незалежно від часу дня і пори року або кліматичних умов.

Ще однією перевагою є те, що немає необхідності створювати дорогі транспортні системи, оскільки геотермію можна знайти безпосередньо на місці. Також за рахунок запобігання традиційному процесу горіння немає прямих викидів вуглекислого газу; незначні викиди можливі тільки внаслідок застосування електроагрегатів.

Крім цього, людство вже має технології, що дають змогу майже всюди використовувати наявні ресурси. У Німеччині, наприклад, на основі геотермії виробляється екологічно чисте тепло встановленої потужності близько 600 МВт (з використанням приповерхневої геотермії з теплових насосів). Встановлена потужність в усьому світі становить від 15 до 20 тис. МВт (термічної енергії) і 8400 МВт (електроенергії). І це лише невелика частина того, що можна отримувати. Теплового потоку з глибин, у принципі, достатньо для покриття всього теплоспоживання людства.

Недоліками геотермальної енергії є:

- низька термодинамічна якість;

- необхідність використання тепла біля місця видобування;

- вартість спорудження свердловин, що зростає зі збільшенням глибини буріння.

Також це джерело енергії характеризується певним впливом на природне середовище - в атмосферу надходить додаткова кількість розчинених у підземних водах сполук сірки, бору, миш'яку, аміаку, ртуті; водяна пара, що викидається, збільшує вологість; процес супроводжується акустичним ефектом; може відбуватися опускання земної поверхні, а також засолення земель.

Отже, основним джерелом геотермальної енергії є постійний потік тепла від розжарених надр, спрямований до поверхні землі. Цього тепла достатньо, щоб розплавити гірські породи під земною корою, перетворюючи їх на магму. Більша частина магми залишається під землею і, подібно до печі, нагріває навколишню природу. Якщо підземні води стикаються з цим теплом, вони теж сильно нагріваються, інколи до температури 371 °С. У так званих "гарячих точках" тепло підходить так близько до поверхні, що його можна добувати за допомогою геотермальних бурових свердловин. Використання цієї енергії навіть у невеликих об'ємах може значно змінити і поліпшити енергетичний баланс будь-якого регіону. Розрахунки свідчать, що всередині Землі вміщується тепла набагато більше, ніж можна було б добути у ядерних реакторах при розщепленні всіх земних запасів урану і торію. Якщо людство буде використовувати тільки геотермальну енергію, пройде 41 млн років, перш ніж температура надр Землі знизиться хоча б на півградуса.