Что такое геотермальная энергия?
Узнайте, как снизить зависимость мира от ископаемого топлива с помощью этого чистого возобновляемого энергетического ресурса.
Что такое геотермальная энергия?
Поскольку люди, организации и страны ищут способы сокращения выбросов углекислого газа, правительства и предприятия взяли на себя значительные обязательства по сокращению этих выбросов. Для достижения этих целей крайне важно найти альтернативы ископаемому топливу, включая уголь, природный газ и нефть. В связи с этим возрастает важность возобновляемых экологически чистых источников энергии, таких как солнечная, гидро-, ветровая и геотермальная энергия.
Сегодня геотермальная энергия считается одним из наиболее эффективных и устойчивых видов энергии, поскольку это чистый, надежный и возобновляемый ресурс. Геотермальная энергия использует тепло, накапливаемое под земной поверхностью, для выработки электроэнергии и обеспечения геотермального отопления и охлаждения домов и предприятий. Геотермальные ресурсы использовались в Северной Америке более 10 000 лет, так как американские палеоиндейцы использовали геотермальные горячие источники для обогрева, приготовления пищи и купания.
География играет решающую роль в способности региона использовать геотермальную энергию. Лучшие геотермальные ресурсы обычно расположены вблизи границ тектонических плит. Вблизи этих границ из-за движения земной коры сосредоточены зоны повышенной вулканической и сейсмической активности. Например, Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо представляет собой цепочку вулканов и сейсмическая активность вызывается здесь в первую очередь тектоникой плит. В результате в этом регионе находятся самые активные геотермальные зоны в мире.
Сейчас Соединенные Штаты являются мировым лидером в производстве геотермальной энергии, хотя геотермальная энергия составляет лишь небольшой процент потребления энергии в США. В силу широкого распространения геотермальной энергии вблизи границ тектонических плит, большая часть геотермальных электростанций США расположена в западных штатах. Калифорния располагает крупнейшими мощностями по производству геотермальной электроэнергии: здесь действуют 40 геотермальных электростанций.
Исландия, Филиппины и Сальвадор также являются мировыми лидерами в области геотермальной энергии: на ее долю приходится более 25 процентов общего потребления энергии в каждой стране.
В этой статье вы найдете обзор геотермальной энергии, оцените ее плюсы и минусы и получите примеры геотермальной энергии. Вы также узнаете о будущем геотермальной энергии и о том, как технологии могут ускорить инновации в области геотермальной энергии.
Типы геотермальной энергии
Геотермальную энергию получают из тепла, вырабатываемого в недрах Земли. Термин "геотермальная энергия" происходит от греческих слов "гео", что означает "земля", и "термос" — "тепло". Под земной корой, состоящей из камней и воды, находится слой горячей расплавленной породы, называемой магмой. Магма достигает температуры от 704°C до 1315°C и может пузырьками подниматься на поверхность земли в виде лавы. Магма также нагревает камни и подземные слои воды, которые могут высвобождаться через гейзеры, горячие источники и паровые отверстия — все это примеры геотермальной энергии.
Однако большая часть геотермальной энергии Земли остается под землей в виде карманов пара и горячей воды и собирается различными методами:
Низкотемпературная геотермальная энергия
- Тепло, получаемое от геотермальной жидкости вблизи земной поверхности, поднимается само по себе или к нему получают доступ с помощью скважины.
- Это доступно практически в любой точке мира.
- Прямое использование геотермальной энергии включает отопление домов, теплиц, рыбоводных хозяйств и некоторые промышленные процессы.
Совместное производство геотермальной энергии
- В качестве побочного продукта нефтяных и газовых скважин используется нагретая вода.
- Производит электроэнергию, которая используется станцией или продается в сеть.
Геотермальное отопление и охлаждение
- Скважины для геотермальных тепловых насосов бурятся на глубине от 3 до 90 метров.
- Обогревает дома и постройки зимой и охлаждает их летом.
Геотермальная электростанция
- Подключается к геотермальным резервуарам глубиной до трех км.
- Генерирует электричество.
Плюсы и минусы геотермальной энергии
Хотя геотермальная энергия является возобновляемым и чистым энергетическим ресурсом, у нее есть недостатки, в том числе высокие начальные затраты и возможность провоцировать землетрясения и оседания, постепенное опускание участка земли.
Плюсы геотермальной энергии:
- Экологичность. Геотермальные электростанции оставляют минимальный углеродный след, и связанное с ними загрязнение очень мало. Геотермальное отопление и охлаждение сокращают выбросы парниковых газов.
- Возобновляемый источник энергии. В отличие от ископаемого топлива, возобновляемые резервуары геотермальной энергии на Земле пополняются естественным путем и прослужат миллиарды лет.
- Надежность и стабильность. В отличие от ветряной и солнечной энергии, геотермальная энергия всегда доступна и не колеблется. Руководство может точно прогнозировать выходную мощность геотермальных электростанций, что делает их идеальными для удовлетворения потребностей в энергии при базовой нагрузке.
Минусы геотермальной энергии:
- Побочные эффекты для окружающей среды. При получении геотермальной энергии некоторые парниковые газы из-под земной поверхности уходят в атмосферу. Геотермальные электростанции могут влиять на стабильность земли, вызывать землетрясения и просадки.
- Требуется управление. После подключения геотермальных резервуаров к геотермальной электростанции, необходимо должным образом управлять ими, чтобы они не истощались.
- Ограниченные области расположения электростанций. Геотермальные электростанции можно строить только в районах, расположенных вблизи границ тектонических плит, где доступны геотермальные резервуары.
Геотермальные электростанции
Геотермальные электростанции используют высокотемпературные геотермальные ресурсы, которые добываются либо из скважин с сухим паром, либо из скважин с горячей водой. Подобно бурению нефтяных скважин, для геотермальных электростанций скважины бурят на большой глубине. Пар или горячая вода перекачиваются на поверхность, где используются для вращения турбин, вырабатывающих электроэнергию.
Существует три типа геотермальных электростанций:
Электростанции сухого пара
Используют естественные подземные источники пара. Пар поднимается к поверхности земли в добывающей скважине, передает свою энергию турбине, конденсируется и закачивается обратно в землю или выбрасывается в атмосферу. Электростанции сухого пара являются старейшим типом геотермальных станций и считаются наиболее простыми и эффективными.
Старейшая электростанция сухого пара находится в Ларедо, Италия. Созданная в 1911 г., она продолжает снабжать электричеством более миллиона жителей. Еще одна важная электростанция сухого пара — это геотермальная ресурсная зона Гейзерс к северу от Сан-Франциско. Она производит электроэнергию с 1960-х годов и обеспечивает около одной пятой возобновляемой энергии Калифорнии.
Паровые электростанции
Преобразуют воду из недр земли под высоким давлением в пар с температурой более 180°C. Когда горячая вода достигает поверхности, она направляется в "расширительный бак", в котором поддерживается гораздо более низкое давление. Из-за пониженного давления часть воды "вспыхивает", а это означает, что она быстро превращается в пар, приводящий в движение турбины. Оставшуюся жидкость можно снова испарить во втором испарителе, чтобы получить дополнительную энергию.
Паровые электростанции являются наиболее распространенными типами геотермальных установок, используемых сегодня. Исландия, вулканический остров, использует геотермальные электростанции с паром мгновенного испарения для обеспечения почти всех потребностей страны в электроэнергии. На Филиппинах, расположенных вдоль Огненного кольца, находится крупнейшая в мире электростанция мгновенного испарения.
Бинарные геотермальные электростанции
Используют другой подход к выработке тепла. Они работают с водой под высоким давлением при более низких температурах — от 107 до 225 °C. Этот метод использует теплообменник для передачи тепла от горячей воды вторичной жидкости, приводящей в действие турбины.
Поскольку вода умеренной температуры более доступна, ожидается, что в будущем станции бинарного цикла станут наиболее распространенным типом геотермальных электростанций.
Как используется геотермальная энергия?
Тремя наиболее распространенными способами использования геотермальной энергии являются прямое использование, выработка электроэнергии и наземное отопление и охлаждение.
Геотермальные системы прямого использования
Добыча грунтовых вод, нагреваемых естественным путем, залегающих на расстоянии не более километра под поверхностью земли. Для добычи грунтовых вод строятся скважины. Температура таких вод может достигать более 90 °C. Иногда горячая вода или пар может подниматься на поверхность земли самостоятельно без необходимости откачки. В таком случае ее можно использовать напрямую или через цикл теплообменника.
Геотермальная вода прямого использования имеет множество вариантов применения, включая нагрев воды на рыбоводческих заводах, плавление льда и снега на тротуарах и дорогах, нагрев воды в больших бассейнах, обогрев зданий, а также предоставление горячей воды. Несмотря на то что геотермальные системы прямого использования экономичнее, чем более глубокие системы, эта технология может использоваться только в регионах с природными водоемами с горячими грунтовыми водами около или на поверхности земли (например, в регионах с вулканической или тектонической активностью).
Выработка электроэнергии
Три описанных выше типа геотермальных электростанций добывают геотермальные ресурсы из-под поверхности земли, чтобы вырабатывать электричество. В большинстве из них применяются системы водообработки закрытого цикла, когда добытая вода перекачивается обратно в геотермальный резервуар после использования. Так как большая часть воды выпаривается, станциям необходимо добавлять значительный объем воды, чтобы поддерживать его на одном уровне в резервуаре. Хотя геотермальная энергия является возобновляемым ресурсом, который на сегодняшний день используется приблизительно в 20 странах, большинство геотермальных скважин со временем остынут, в частности потому, что тепло вырабатывается быстрее, чем пополняются запасы воды.
Геотермальное отопление и охлаждение
Также известное как наземное отопление и охлаждение, это самый распространенный способ использования геотермальной энергии на сегодняшний день. Чтобы ответить на вопрос, что такое геотермальное отопление, необходимо понимать, как работает геотермальный тепловой насос. Вместо выработки тепла насос использует землю в качестве источника тепла и перемещает его между землей и зданием.
Насос устанавливается на расстоянии от 3 до 100 м под поверхностью земли и подключается к длинному трубопроводу, с помощью которого жидкость проходит под землей в здание. Зимой жидкость поглощает тепло земли и переносит его в здание, где геотермальное отопление распространяет его по системе трубопровода. Летом жидкость поглощает тепло в здании и переносит его в землю для охлаждения.
Дополнительные способы использования геотермальной энергии
- В сельском хозяйстве геотермальная энергия используется для обогрева растений зимой за счет подачи пара в почву.
- Некоторые оздоровительные курорты используют геотермальные источники для обогрева гидромассажных ванн и бань.
- Горячие источники известны своей терапевтической способностью улучшать здоровье людей.
- Природные гейзеры могут служить впечатляющими туристическими достопримечательностями. Старый Служака в Йеллоустонском национальном парке — это геотермальное чудо, которое извергается каждые 60–90 минут и ежегодно его посещают около 4 миллионов человек.
Будущее геотермальной энергетики
Гидравлический гидроразрыв в геотермальной энергетике
В нефтегазовой отрасли гидроразрыв является распространенным способом увеличения добычи. При гидроразрыве пласта жидкость под высоким давлением закачивается в горную породу, чтобы разломить ее и сделать проницаемой. Гидравлический разрыв пласта для получения геотермальной энергии использует аналогичный подход и также называется "усовершенствованными геотермальными системами" (ESG). Хотя этот процесс похож на тип гидроразрыва, который используется в газовой промышленности, есть некоторые важные различия. Геотермальный гидроразрыв создает более мелкие и более управляемые трещины и использует жидкость, вызывающую гораздо меньше загрязнения.
ESG производит пар, извлекая энергию из камней, достаточно горячих, но слишком сухих, чтобы производить пар самостоятельно. Разработчики бурят "нагнетательные скважины" вертикально на глубину от 1 до 8 км., чтобы добраться до горячих резервуаров сухой породы. Затем они используют воду под высоким давлением или взрывчатку, чтобы разрушить горные породы и создать геотермальный резервуар жидкости. Эксплуатационная скважина перекачивает горячую воду обратно на поверхность земли, которая, подобно установкам с бинарным циклом, нагревает вторичную жидкость, которая превращается в пар. Геотермальная электростанция использует пар для привода турбин для выработки электроэнергии.
Препятствия для роста геотермальной энергетики
- Недостаток природных геотермальных ресурсов. Как обсуждалось в начале этой статьи, доступность геотермальных ресурсов ограничена местами вблизи границ тектонических плит. Большинство стран, имеющих доступ к геотермальной энергии, уже в некоторой степени используют этот ресурс.
- Затраты и риски на разведку геотермальных электростанций. Проведение первоначальной программы разведки и бурения трех-пяти геотермальных скважин стоит от 20 до 30 млн. USD. Это, в сочетании с риском неудачной разведки, является препятствием для масштабирования использования геотермальной энергии во всем мире.
- Стоимость и риски усовершенствованных геотермальных систем. Хотя ESG имеет потенциал для расширения доступности геотермальных ресурсов, бурение геотермальных скважин обходится очень дорого по сравнению с бурением нефти или газа. Еще одним препятствием является то, что, как и традиционные методы гидроразрыва, скважины ESG вызывают землетрясения. Если гидроразрыв пласта происходит вблизи уже существовавшего разлома, существует риск более сильных землетрясений, достаточных для повреждения близлежащих зданий.
- Высокая начальная стоимость геотермальных систем отопления и охлаждения. Геотермальные тепловые насосы стоят от 3500 до 7500USD за базовую единицу, а более дорогие модели с такими вариантами, как нагрев горячей воды, стоят еще дороже. Кроме того, затраты на раскопки и установку могут довести цену до 12000–15000USD. Однако некоторые страны могут предлагать скидки или налоговые льготы для компенсации некоторых из этих затрат. Эти системы в итоге обеспечивают окупаемость инвестиций, поскольку они очень энергоэффективны. Люди, инвестирующие в геотермальные системы отопления и охлаждения, могут рассчитывать на экономию от 30 до 70 процентов своих годовых счетов за электроэнергию.
Как геотермальная энергия влияет на окружающую среду?
Геотермальная энергия как чистый и возобновляемый ресурс все чаще рассматривается в качестве альтернативы ископаемому топливу. Однако геотермальная энергетика влияет на окружающую среду по-разному. В целом, положительное воздействие геотермальной энергетики больше отрицательного.
Негативные воздействия
Потребление воды
Выбросы в атмосферу
Проседание
ESG гидроразрыв
ESG гидроразрыв может вызвать землетрясения, что является препятствием для внедрения электростанций, расположенных вблизи городских районов, предприятий и домов. Кроме того, многие люди считают, что гидроразрыв ESG может вызвать негативные последствия, аналогичные ГРП газа, такие как утечки, разливы и загрязнение почвы и подземных вод.
Положительное воздействие
Низкий уровень выбросов углерода
Снижает зависимость от альтернативных источников энергии
Снижение выбросов углерода
Технологии ускоряют преобразование энергии
Перед миром стоит исключительная задача: стабилизировать климат путем построения экономики с нулевым выбросом углерода. Эти инновационные технологии помогают поддержать глобальный переход к более чистой энергетике:
Microsoft Cloud for Sustainability
Предоставляет организациям аналитические сведения для записи, отслеживания и сокращения влияния на окружающую среду.
Управление электроэнергией Интернета вещей
Благодаря службе управления электроэнергией Интернета вещей компании могут внести свой вклад в обеспечение устойчивого развития за счет более эффективного энергопотребления и соблюдения баланса между предложением и спросом.
Интернет вещей Azure
Такие поставщики электроэнергии, как ENGIE, используют средства ИИ и облачные технологии для повышения эффективности выработки электроэнергии и снижения затрат.
Квантовые вычисления
Квантовые вычисления призваны ускорить решение проблем, связанных с переходом на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная, гидроэнергия, ветер и геотермальная энергия.
Ускорьте свой путь к устойчивому развитию
Решения Microsoft Cloud for Sustainability позволят вам ускорить переход к нулевым выбросам и трансформировать работу своей организации с помощью инструментов для контроля экологической и социальной ответственности (ESG).
Вопросы и ответы
-
Геотермальная энергия, считающаяся одним из наиболее устойчивых и эффективных видов энергии, является чистым, надежным и возобновляемым ресурсом. Для ее получения используется тепло, накопленное внутри земной поверхности, для выработки электроэнергии и обеспечения геотермального отопления и охлаждения домов и предприятий.
-
Геотермальная энергия предлагает три основных преимущества:
- Это экологически безопасно.
- Это возобновляемый источник энергии.
- Это надежно и стабильно.
Этот чистый возобновляемый энергетический ресурс может помочь снизить зависимость мира от ископаемого топлива.
-
По сравнению с другими источниками энергии геотермальная энергия имеет три недостатка:
- Это приводит к выбросам парниковых газов из-под поверхности Земли в атмосферу и может повлиять на стабильность поверхности земли.
- Геотермальными резервуарами необходимо управлять, чтобы исключить их истощение.
- Геотермальные электростанции можно строить только в районах вблизи границ тектонических плит, где имеются геотермальные резервуары.
-
Геотермальная энергия используется для обогрева и охлаждения домов, обогрева теплиц, поддержки промышленных процессов и выработки электроэнергии.
-
Четыре типа геотермальной энергии:
- Низкотемпературная геотермальная энергия.
- Совместное производство геотермальной энергии.
- Геотермальный нагрев и охлаждение.
- Геотермальная электростанция.