РОЗДІЛ 8. Гео й гідротермальна енергетика

Близько 4% усіх запасом води на нашій планеті зосереджене під землею - у товщах гірських порід. Води, температура яких перевищує 20° С, називають термальними (від грецького слова "терме" – "тепло", "жар"). Нагріваються підземні озера й ріки в результаті радіоактивних процесів і хімічних реакцій, що протікають у надрах Землі. У районах вулканічної діяльності на глибині 500-1000 м зустрічаються басейни з температурою 150- 250 °С, вода в них перебуває під великим тиском і, тому не кипить. У гірських областях термальні води нерідко виходять на поверхню у вигляді гарячих джерел з температурою до 90 °С. Енергетика землі - геотермальна енергетика базується на використанні природної теплоти Землі. Верхня частина земної кори має термічний градієнт, рівний 20-30 С розраховуючи на 1 км глибини, і, по даним Уайта (1965 р.), кількість теплоти, що втримується в земній корі до глибини 10 км (без обліку температури поверхні), рівно приблизно 12,6-10 26 Дж. Ці ресурси еквівалентні тепломісткості 4,61016 т вугілля (ухвалюючи середню теплоту згоряння вугілля рівної 27,6-109 Дж/т), що більш ніж в 70 тис. раз перевищує тепломісткість усіх світових ресурсів, що технічно й економічно витягають вугілля. Однак геотермальна теплота у верхній частині земної кори (до глибини 10 км) занадто розсіяна, щоб на її базі вирішувати світові енергетичні проблеми. Ресурси, придатні для промислового використання, являють собою окремі родовища геотермальної енергії, сконцентрованої на доступній для розробки глибині певні обсяги, що мають, і температуру, достатні для використання їх з метою виробництва електричної енергії або теплоти.

З геологічної точки зору геотермальні енергоресурси можна розділити на гідротермальні конвективні системи, гарячі сухі системи вулканічного походження й системи з високим тепловим потоком.

Люди навчилися використовувати глибинне тепло Землі в господарських цілях. У країнах, де термальні води підходять близько до поверхні, споруджують геотермальні електростанції (геоТЕС). Вони перетворять теплову енергію підземних джерел в електричну. У Росії перша геоТЕС потужністю 5 МВт була побудована в 1966 р. на півдні Камчатки, у долині ріки Паужетка, у районі вулканів Кошелєва й Кабального. В 1980 р. її потужність становила вже II Мвт. В Італії, у районах Ландерелло, Монте-Аміата й Травеле, працюють 11 таких станцій загальною потужністю 384 Мвт. Геотес діють також у СІЛА (у Каліфорнії, у Доліні Великих Гейзерів), Ісландії (в озері Миватн), Нової Зеландії (у районі Уайракеї), Мексиці і Японії.

Геотермальні станції влаштовані відносно просто: тут немає котельні, устаткування для подачі палива, золоутримувачів і багатьох інших пристосувань, необхідних для звичайних теплових електростанцій. Остільки паливо в геотес безкоштовне, те й собівартість вироблюваної електроенергії в кілька раз нижче.

У принципі для виробництва електроенергії на родовищах з гарячою водою застосовується метод, заснований на використанні пари, що утворювалася при випарі гарячої рідини на поверхні. Цей метод використовує те явище, що при наближенні гарячої води (що перебуває під високим тиском) по скважинах з басейну до поверхні тиск падає й близько 20 % рідини скипає й перетворюється в пару. Ця пара відділяється за допомогою сепаратора від води й направляється в турбіну. Вода, що виходить із сепаратора, може бути піддана подальшій обробці залежно від її мінерального состава. Цю воду можна накачувати назад у скельні породи відразу або, якщо це економічно виправдане, з попереднім добуванням з неї мінералів. Прикладами геотермальних родовищ із гарячою водою є Уайракей і Бродлендс у Новій Зеландії, Серро-Прието в Мексиці, Солтон-Си в Каліфорнії, Отаке в Японії.

Іншим методом виробництва електроенергії на базі високо- або середньо-температурних геотермальних вод є використання процесу із застосуванням двоконтурного (бінарного) циклу. У цьому процесі вода, отримана з басейну, використовується для нагрівання теплоносія другого контуру (фреону або ізобутану), що має низьку температуру кипіння. Пара, що утворювалася в результаті кипіння цієї рідини, використовується для привода турбіни, пара, що відробила, конденсується й знову пропускається через теплообмінник, Створюючи тим самим замкнений цикл. Установки, що використовують фреон як теплоносій другого контуру, зараз підготовлені для промислового освоєння в діапазоні температур 75-150 С при одиничній електричній потужності в межах 10-100 кВт. Такі установки можуть бути використані для виробництва електроенергії в підходящих для цього місцях, особливо у віддалених сільських районах.

Існує кілька схем одержання електроенергії на геотермальній електростанції.

Пряма схема: природна пара направляється по трубах у турбіни, з'єднані з електрогенераторами.

Непряма схема: пара попередньо (перше ніж попадає в турбіни) очищають від газів, що викликають руйнування труб.

Змішана схема: неочищена пара надходить у турбіни, а потім з води, що утворювався в результаті конденсації, видаляють гази, що не розчинилися в ній. Саме за змішаною схемою працює Паужетська електростанція. Пароводяна суміш, що містить тепло в кількості 840 кДж/кг, виводиться через свердловину глибиною 350 м на поверхню й направляється в сепараційний пристрій. Тут пара при тиску 225 кПа відділяється від води й по трубах надходять у турбіни; що обертаються й приводять в дію електрогенератори. Пара, що відпрацювала в турбінах, попадає в змішувальний конденсатор, де прохолоджується й перетворюється у воду. Гази, що виділилися при цьому (азот і кисень) видаляють насосом. Гарячу воду (120 °С) використовують для теплопостачання населених пунктів. Вода для охолодження пари подається самопливом по трубопроводу довжиною 600 м з ріки Паужетки. На рис. 1.8. показано обидві схеми одержання електроенергії за допомогою геотермальної електростанції.

На рис. 8.1.а. показані: 1 - джерело гарячої пари; 2 - турбіна; 3 - генератор; 4 - пристрій для конденсації води; 5 - конденсат. На рис. 1.5.6. показані: 1 - джерело гарячої води; 2 - сепаратор: 3 - турбіна; 4- генератор; 5 - пристрій для конденсації води (конденсатор); 6 -скидання відпрацьованої води.

Рис. 8.1. Схеми одержання електроенергії за допомогою геотермальної електростанції

Росії, Болгарії, Угорщині, Грузії, Ісландії, США, Японії й в інших країнах з термальними водами обігрівають будинку, теплиці, парники й плавальні басейни. А столиця Ісландії Рейк'явік одержує тепло виняткове від гарячих підземних джерел.

Закордонний досвід показує, що витрати на будівництво геотермальних електростанцій значні. Однак оскільки ця енергія "дармова", пропонована нам самою природою й до того ж поновлювана, опалення потім стає дешевше у два рази. Для забезпечення екологічної чистоти в технологічній схемі геотермальних електростанцій передбачені система накачування конденсату й сепарату назад у земні шари, а також системи сніготанення й запобігання викидів сірководню в атмосферу. На думку деяких учених, великий прогрес по здешевленню й зменшенню експлуатаційних витрат буде досягнутий застосуванням у геотермальних турбінах верхнього вихлопу відводу пари.

Геотермальний вид поновлюваної енергії широко використовується у світі. Артезіанські басейни термальних вод виявлені в Саяно-Байкальській гірській системі, у Бурятії (тут налічується близько 400 термальних джерел), у Якутії, на півночі Західного Сибіру, Чукотці (тут відомі 13 високо-термальних джерел із сумарним дебітом 166 л/с). Самий “гарячий” район - Курило- Камчатський вулканічний пояс. На Камчатці виявлене більш 70 груп термальних джерел, 40 з них мають температуру води 90-100°С. Найбільш великі джерела дають стільки тепла, скільки можна одержати від спалювання 200 тисяч тонн вугілля. Собівартість одержання 4.2 ГДж тепла в системах геотермального теплопостачання Камчатки в 10 раз нижче, чим у котельнях Петропавловська-Камчатського. Сьогодні геотермальну енергію використовують в 40 країнах миру. У Швейцарії 10 тисяч теплоносіїв забирають тепло з-під грунту: Сотні тисяч кіловат дають станції районів Лардерелло в Італії, Вайракей у Новій Зеландії. Третина електроенергії для Сан-Франциско також дають геотермальні станції. Сьогодні потужність канадських Геотес досягла 0.7 млн. кВт. Поляки почали займатися геотермальною енергією десять назад. У Польщі є вже чотири геотермальні станції. Одна з них, у курортному Закопане. У Литві вся Клайпеда забезпечується гарячою водою за допомогою геотермальної станції. У Японії за допомогою геотермальної енергетики розтоплюють сніг на дорозі Геотермальна енергетика в Японії займає значне місце - її частка становить 21 %. Основним стримуючим фактором для розвитку стали екологічні рухи. Це пов'язано з тим, що станції розташовані в природних парках і подальший їхній розвиток утруднений небезпекою завдати шкоди охоронюваним і заповідний територіям. Ядерні станції дають 35% загального енерговиробництва, що працюють на природному газі – 24%. У нас максимум споживання електроенергії припадають на зимові, самі холодні місяці, а в Японії - на літо, коли через жару основне споживання електроенергії пов'язане з роботою встаткування, що виробляє холодне повітря. Слід зазначити, що далі всіх у використанні геотермальних ресурсів просунулася Ісландія. Наприклад столиця Ісландії Рейк'явік з 1943 року використовує геотермальні води для обігріву будинків, установ, магазинів і фабрик. Установлена потужність усіх ісландських геотермальних станцій ще в 1988 р. становила 39 Мвт. Україна мас значний потенціал геотермальної енергії. Затверджені Міністерством екології та природних ресурсів України потенційні геотермальні ресурси становлять 27,3 млн.м3/добу теплоенергетичних вод, а їх теплоенергетичний потенціал з урахуванням особливостей термальних вод, як теплоносія - 84 млн. Гкал/рік. Річний технічно-досяжний енергетичний потенціал геотермальної енергії в Україні є еквівалентним 12 млн. т. у.п., його використання дозволяє заощадити біля 10 млрд, м3 природного газу. За різними оцінками потенційні ресурси геотермальної енергії можуть забезпечити роботу геотермальних електростанцій загальною потужністю 200 – 250 млн. кВт і систем теплопостачання загальною потужністю 1,2 – 1,5 млрд. кВт (з періодом роботи станцій до 50 років). Районами її можливого використання є Крим, Закарпаття, Прикарпаття, Донецька, Запорізька, Полтавська, Харківська, Херсонська та Чернігівська області. Найперспективнішим для видобутку високопотенційних енергоресурсів є Карпатський геотермічний район, який характеризується високим геотермічним градієнтом і відповідно високими температурами гірських порід порівняно з іншими регіонами України. Температура порід в свердловинах, пробурених в Карпатах, на глибині 4 км. сягає 210°С. Необхідні температури теплоносія для геотермальних електростанцій знаходяться на значно менших глибинах (на 1-1,5 км.), ніж у інших сприятливих місцях. Також перспективним районом для розвитку геотермальної енергетики є Крим. Глибини пробурених свердловин тут невеликі: до 2000 м; температура термальних вод на гирлі 50 - 70°С, їх мінералізація - 20 - 70 г/л. Третім перспективним районом для розвитку геотермальної енергетики є Дніпрово-Донецька западина, що включає в себе області: Чернігівську, Полтавську, Харківську, Луганську та інші. Цей регіон одночасно є крупним споживачем теплової та електричної енергії [1]. Станом на 2004 р. в Україні введено дев'ять геотермальних установок загальною потужністю 10,6 МВт. У перспективі для добування енергії з надр Землі можна використовувати не тільки запаси гарячої води й пари, але й тепло сухих гірських порід. Області сухих гірських порід з температурою близько 3000°С зустрічаються значно частіше, чим водоносні гарячі породи, а також енергію магматичних вогнищ, які в деяких районах планети розташовані на глибинах усього в кілька кілометрів. Однак на сьогоднішній день, найбільш оптимальна форма використання теплової енергії - суха пара. Пряме використання суміші пари й води неможливо, тому що геотермальна вода містить звичайно велика кількість солей, що викликають корозію, і краплі води в парі можуть ушкодити турбіну. Найчастіша форма вступу енергії - просто у вигляді гарячої води, насамперед для одержанні тепла. Ця вода може бути використана також для одержання пари робочої рідини, що має більш низьку температуру кипіння, ніж вода. Тому що геотермальна пара й вода мають порівняно низьку температуру й тиск, ККД геотермальних станцій не перевищує 20%, що значно нижче атомних (30%) і теплових працюючих на викопному паливі (40%). До недоліків геотермальних станцій ставиться наступне: для конденсації пари на геотермальних станціях необхідно велика кількість охолодної води, яка в результаті роботи станції нагрівається, тому геотермальні станції є джерелами теплового забруднення. При однаковій потужності з тепловими електростанціями, геотермальні електростанція споживає для охолодження значно більша кількість води, тому що її ККД нижче. Скидання сильно мінералізованої геотермальної води і поверхневі водойми може привести до порушення їх екосистем. V геотермальних водах у більших кількостях утримується сірководень і радон, який викликає і може привести до радіоактивних забруднень навколишнього середовища.