Почему следует ожидать роста использования геотермальной энергетики по всему миру

Однажды ко мне в руки попала книга «Основание» А. Азимова, на страницах которой описывалась планета Трантор, покрытая сплошной застройкой. Этот мир получал огромное количество энергии за счет перепада температур между недрами земли и вершинами колоссальной высоты зданий. Раздумывая о способах превращения тепла в полезную работу, я узнал о двигателях Стирлинга, элементах Пельтье, теплообменниках, термонасосах и их вариациях. Однако ключевым оставался вопрос: где и как получить доступ к стабильному и условно бесплатному источнику тепла. Об этом вопросе и путях его решения я бы и хотел немного рассказать.

Тепло, которое можно получить из недр земли, можно считать в полной мере возобновляемым и безграничным. Пока силы трения от гравитационных приливов и радиоактивный распад в ядре разогревают мантию, обеспечивая постоянную конвекцию тепла, можно не беспокоиться о том, что «горшочек» перестанет варить. При этом с большой вероятностью планета раньше будет уничтожена солнцем, превратившимся в красный гигант, чем мы сможем охладить ее недра. 

Добраться до разогретой области мешает слой земной коры. Расстояние до «рабочей» области очень важно, бурение является дорогостоящим и обычно составляет около половины общей стоимости объекта по производству электроэнергии. Однако на планете есть наиболее благоприятные места для использования геотермальной энергии - в местах разломов литосферных плит, где тепло недр достигает относительно небольших глубин. Эти регионы, обычно связаны с вулканической и сейсмической активностью, но именно в этих местах впервые появилась геотермальная энергетика. 

Одно из таких мест я недавно посетил. Это Менделеевская ГеоТЭС, расположенная на склоне вулкана Менделеева (о. Кунашир). Станция не большая, после серии модернизаций ее установленная электрическая мощность составляет около 7,4 МВт. Этого недостаточно для закрытия потребностей острова, но даже эта скромная мощность позволяет экономить более 10 тыс. тонн угля на отопление и порядка 8 тыс. тонн дизельного топлива для генерации электроэнергии. В России есть еще три ГеоТЭС, расположенные на Камчатке, имеющие суммарную установленную мощность более 100 МВт, что составляет значимую долю в генерации полуострова.

На данный момент в мире 26 стран вырабатывают электроэнергию из геотермальных источников. В Коста-Рике, Исландии, Кении, Новой Зеландии и Сальвадоре на нее приходится более 15 % общей генерации. Однако в абсолютных величинах генерация этих стран не столь велика. Установленная мощность геотермальной энергии в мире в 2022 году составила 14,87 ГВт, из которых 2,65 ГВт или 17,8 % приходилось на США. Индонезия считается страной с крупнейшими в мире геотермальными ресурсами. В настоящее время она использует менее 5 % своего общего потенциала, однако даже этот показатель делает ее вторым мире производителем геотермальной энергии с выработкой в 2,343 ГВт. По различным оценкам, в настоящее время используется только около 7 % от общего глобального потенциала геотермальной энергетики, что предоставляет широкие возможности для увеличения ее использования и для всех стран по мере давления «зеленых» и роста цен на топливо.

Для того чтобы понять, почему станции не построили повсеместно, необходимо разобраться в геотермальном ресурсе и его формах. В некоторых случаях геотермальное тепло находится в форме пара или горячей воды и может быть использовано напрямую. Однако в большинстве случаев для использования доступен сухой тепловой карман, в который необходимо закачать воду. Проходя через зону нагрева, закаченная вода превращается в пар, и этот процесс известен как “усиление”. В зависимости от температуры воды при выходе из теплового кармана все геотермальные ресурсы обычно классифицируются как низкотемпературные или высокотемпературные. Высокотемпературные ресурсы - это ресурсы с температурой жидкости более 150 °C, соответственно, все имеющие более низкую температуру принято считать низкотемпературными. В настоящее время в коммерческом использовании находятся четыре типа геотермальных электростанций: прямые, непрямые (быстрые), бинарные и быстрые с бинарным парогазовым циклом. 

Прямые электростанции используют сухой пар. Процесс производства сухого пара прост - его используют самые старые электростанции. Пар с температурой более 150 °C поднимается на поверхность непосредственно из геотермального резервуара и пропускается через турбину для питания генератора. Затем пар подается в конденсатор, где превращается в воду. Впоследствии она закачивается обратно в геотермальный резервуар, где повторно нагревается для получения пара.

Не прямые паровые электростанции быстрого действия используют воду под высоким давлением и температурой не менее 180 °C, которая поступает под собственным давлением в резервуар-сепаратор. Падение давления воды приводит к тому, что часть энергии передается пару, который отделяется от воды и приводит в действие турбину. Оставшаяся вода и конденсированный пар охлаждаются и закачиваются обратно в геотермальный резервуар.

Электростанции с бинарным циклом способны работать на низкотемпературных источниках тепла, имея возможность вырабатывать электроэнергию с использованием низкокипящих жидкостей, вплоть до 57 °C. Горячая вода из геотермального резервуара прокачивается через теплообменник, а охлажденная вода закачивается обратно в резервуар. В теплообменнике тепло от воды передается вторичной рабочей жидкости, например изобутан, температура кипения которого ниже, чем у воды. Он превращается в газ, приводя в движение турбину. Затем газ, теряя энергию, возвращается в жидкую форму в конденсаторе и поступает в теплообменник для запуска следующего цикла.

Электростанция с быстрым / бинарным парогазовым циклом устроена сложнее, чем другие типы. В ней вода под высоким давлением и высокой температурой из геотермальной скважины подается в сепаратор, где при более низком давлении часть ее испаряется с образованием пара. Пар приводит в действие турбину первого уровня станции. Оставшаяся вода поступает в подогреватель, где она нагревает вторичную рабочую жидкость в бинарной системе. Затем рабочая жидкость поступает в испаритель, где дополнительно нагревается паром, выходящим из турбины уровня I. Испаренная рабочая жидкость приводит в действие турбину уровня II. Такая схема наиболее полно использует тепло для генерации электроэнергии, имея КПД более 70 %.

Таким образом, любой тип геотермальных электростанций стабильно вырабатывает электроэнергию, не имея цикличных колебаний генерации. Они также обладают высоким коэффициентом полезного действия. Выработка геотермальной энергии имеет КПД до 74 %, что выгодно ее отличает от других возобновляемых источников энергии. Показатель биомассы составляет 55 %, гидроэнергетики 43 %, солнечной энергии 11 %. Эквивалентный показатель для ядерной энергетики составляет 79 %, а для ископаемого топлива – 46 %.

Эффективное оборудование является ключом к максимальному использованию энергии, вырабатываемой за счет геотермальных ресурсов. Даже небольшое повышение эффективности может иметь большое значение. Надежность повышается за счет специального проектирования двигателей и генераторов под условия каждой конкретной ГеоТЭС. Высокая надежность сокращает непредвиденные простои оборудования и, следовательно, повышает производительность. Для геотермальных установок, на которых двигатели и генераторы работают в районах с присутствием сероводорода, может потребоваться специальная антикоррозийная защита. Меры, необходимые для конкретной электростанции, будут зависеть от условий монтажа, что делает проектирование подобных объектов более индивидуальным.

Резюмируя выше перечисленное, можно сделать вывод, что на текущем уровне цен на энергию и энергоносители основным препятствием для постройки геотермальных станций является их не масштабируемость, вытекающая из географии расположения температурного кармана. Отсутствие единых типовых планов проектирования и условий эксплуатации, на которые влияет выделение химических элементов с паром и водой, требует различного оборудования для каждого объекта. Сероводород, диоксид углерода, метан, аммиак и радон необходимо отделять и закачивать обратно в карман. Для этого нужно бурить новые скважины, за которыми нужно следить, по мере коррозии снова бурить и следить за их дебетом, обеспечивая стабильные поставки пара. Это неизбежная плата за высокую «плотность тепла» в температурном кармане. При этом нужно учесть, что в большинстве стран нет доступных крупных выходов геотермальной энергии, а там, где она есть, как правило отсутствует сейсмическая стабильность. Территории у тектонических разломов в США, Филиппинах Исландии, странах Африки, Японии сейсмически нестабильны сами по себе, а бурение скважин провоцирует землетрясения. Чем больше бурим - тем больше сейсмические риски. Таким образом ГеоТЭС всегда находятся в зоне риска, требуя специального проектирования и более дорогостоящей постройки. И на это идут несмотря на сложности.

По мере удорожания энергоносителей и ужесточению экологических норм, все чаще рассматриваются проекты использования низкотемпературных источников в геологически стабильных местах. Такие решения имеют как преимущества, так и недостатки. В качестве источников тепла могут быть использованы термальные воды, подобные горячим источникам в г. Тюмень, или относительно холодные тепловые карманы в старых геологических структурах. Подобные места располагаются по всей территории земного шара. Высокие капитальные затраты на глубинное бурение, где располагаются подходящие источники тепла, оправдываются более низкой коррозией тепловых контуров и отсутствием выбросов пара и газа. Разница в стоимости покрывается снижением фискальной нагрузки, в виде различных эко взносов и пошлин. Это возможно за счет того, что данная генерация считается экологически чистой, так как в процессе работы не выделяются парниковые газы. Риск того, что грунтовые воды могут быть загрязнены следовыми количествами таких элементов, как мышьяк, ртуть и селен, у этих станций также минимален. Немаловажным является и автономность генерации, которая не зависит от поставщика топлива и логистики. Данный фактор становится еще одним значимым преимуществом во времена высокой волатильности и инфляции. Страны уже начали менять свои законы для упрощения доступа инвесторов к геотермальному ресурсу. Остается надеяться, что наша страна так же будет использовать геотермальные станции для сбережения энергоносителей и улучшения качества жизни людей.