Геотермальные: Геотермальная электростанция | Ассоциация «НП Совет рынка»

Геотермальная электростанция | Ассоциация «НП Совет рынка»

Полезные разделы

Геотермальная электростанция

Геотермальная электростанция

Геотермальная электростанция — это особый тип электростанции, которая преобразует внутреннее тепло Земли в электрическую энергию.В настоящее время, геотермальная энергия является наименее используемой во всем мире. Однако ожидается, что подобное положение вещей в самом скором времени изменится. Нарастающий дефицит органических видов топлива, постоянное увеличение стоимости нефти, и, как следствие, продуктов её переработки, заставляют современный мир обращать все большее внимание на альтернативные источники энергии. В настоящее время геотермальная энергия уже используется в ряде стран, в том числе и в России.  Геотермальная энергия  — это самый большой энергетический запас на планете, которым располагает человечество. А наряду с её экологической безопасностью, разработка и строительство геотермальных электростанций становится все более актуальным. Схема работы геотермальной электростанции достаточно проста. Вода, через специально пробуренные отверстия, закачивается глубоко под землю, в те слои земной коры, которые естественным образом довольно сильно нагреты. Просачиваясь в трещины и полости горячего гранита, вода нагревается, вплоть до образования водяного пара, и по другой, параллельной скважине поднимается обратно. После этого горячая вода поступает непосредственно на электростанцию, в так называемый теплообменник, и её энергия преобразуется в электрическую. Это происходит посредством турбины и генератора, как и во многих других типах электростанций.  В другом варианте геотермальной электростанции, используются природные гидротермальные ресурсы, т.е. вода, нагретая до высокой температуры в результате естественных природных процессов. Однако область использование подобных ресурсов значительно ограничена наличием особых геологических районов. В России, например, такими являются Камчатка или район Кавказских минеральных вод. В этом случае в теплообменник поступает уже нагретая вода, выкачанная из земных недр. В другом случае  —   вода в результате высокого геологического давления, поднимается самостоятельно, через специально пробуренные отверстия.  Это, так скажем, общий принцип работы геотермальной электростанции, который подходит для всех их типов. По своему техническому устройству, геотермальные электростанции подразделяются на несколько видов: геоотермальные электростанции на парогидротермах  — это электростанции, в которых используется уже нагретая природой вода;двухконтурная геотермальная электростанция на водяном паре. В таких электростанциях имеется специальный двухконтурный парогенератор, позволяющий генерировать «добавочный» пар. Иными словами в «горячей» стороне парогенератора используется геотермальный пар, а на «холодной» его стороне генерируется вторичный пар, полученный из подведенной воды;двухконтурная геотермальная электростанция на низкокипящих рабочих веществах. Область применения таких электростанций  — использование очень горячих (до 200 градусов) термальных вод, а также используемой дополнительно воды на месторождениях парогидротерм, о которых было сказано выше.Геотермальные энергетика, и геотермальные электростанции в том числе, является одним из самых перспективных видов получения альтернативных источников энергии. К остальным положительным качествам геотермальной энергии можно отнести «круглосуточный» режим работы, который не зависит от климатических условий, времени года и прочих подобных факторов. Это полностью экологически чистый источник энергии, а его экономическая эффективность во много раз превосходит более традиционные виды получения электроэнергии.

Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС) — Что такое Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС)?

ГеоЭС — вид электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров)

Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС, Geothermal power plants) — вид электростанции, которая вырабатывает электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров).

Геотермальная энергия — это энергия, получаемая из природного тепла Земли. 

Достичь этого тепла можно с помощью скважин.

Геотермический градиент в скважине возрастает на 1°C каждые 36 м. 

Это тепло доставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. 

Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. 

Термальные регионы имеются во многих частях мира.

По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет минимум 6 650°C.

Скорость остывания Земли примерно равна 300-350°C в миллиард лет.

Земля выделяет 42·1012 Вт тепла, из которых 2% поглощается в коре и 98% — в мантии и ядре.

Современные технологии не позволяют достичь тепла, которое выделяется слишком глубоко, но и 840 млрд Вт (2%) доступной геотермальной энергии могут обеспечить нужды человечества на долгое время.

Области вокруг краев континентальных плит являются наилучшим местом для строительства геотермальных станций, потому что кора в таких зонах намного тоньше.

Существует несколько способов получения энергии на ГеоТЭС:

• прямая схема: пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами;

• непрямая схема: аналогична прямой схеме, но перед попаданием в трубы пар очищают от газов, вызывающих разрушение труб;

• смешанная схема: аналогична прямой схеме, но после конденсации из воды удаляют не растворившиеся в ней газы.

В СССР 1^я геотермальная электростанция — Мутновская ГеоЭС. 

Она была построена в 1966 г. на Камчатке, в долине р. Паужетка. 

Ее мощность — 11 МВт.

На Мутновском месторождении термальных вод 29 декабря 1999 г. запущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС установленной мощностью 12 МВт (на 2004 г.).

10 апреля 2003 г. запущена в эксплуатацию 1^я очередь Мутновской ГеоЭС. 

Установленная мощность на 2007 г. — 50 МВт.

Планируемая мощность станции составляет 80 МВт.

Выработка в 2007 г. — 360,687 млн кВт·ч. 

Станция полностью автоматизирована.

2002 г. — введен в эксплуатацию 1^й пусковой комплекс Менделеевская ГеоТЭС мощностью 1,8 МВт в составе энергомодуля Туман-2А и станционной инфраструктуры.

Геотермальные электростанции России | Архив С.О.К. | 2020

Российская геотермальная энергетика основана как советский проект, предусматривавший широкомасштабное комплексное использование этого возобновляемого источника энергии. С 1954 года соответствующими научными исследованиями занимались более 60 институтов. Министерством газовой промышленности СССР были пробурены более 3000 геотермальных скважин глубиной до 5,5 км, созданы пять региональных управлений по использованию глубинного тепла Земли, работало специализированное НПО «Союзбургеотермия».

Геотермальная электроэнергетика, в отличие от других технологий использования энергии Земли, требует высоких значений температур теплоносителя. В России регионами, где имеются пароводяные геотермальные месторождения, являются Камчатка и Курильские острова (рис. 1). Ещё в 1737 году знаменитый русский путешественник С. П. Крашенников разведывал геотермальные источники Камчатки. Систематическое изучение их было начато в 1930-е годы видным геологом Б. И. Пийпом (1906–1966), издавшим в 1937 году книгу [2] и организовавшим геотермальные исследования. В 1962-м Б. И. Пийп создал Институт вулканологии и сейсмологии АН СССР в городе Петропавловске-Камчатском. Таким образом, создание Камчатской геотермальной научной школы можно датировать 1937 годом, а отличительной особенностью данной школы являются исследования высокотемпературных месторождений.

После военных лет развитие экономики Камчатки потребовало строительства электростанций, и в 1948 году главный энергетик треста «Сахалинрыбпром» А. А. Гавронский (1903–1971) получил авторское свидетельство на производство электроэнергии из геотермальных источников, что позволило ему в 1949 году обратиться к И. В. Сталину (как к Председателю Совета Министров) с предложением о развитии геотермальной энергетики.

После всестороннего и дискуссионного рассмотрения данного вопроса в Академии наук СССР, при поддержке академика М. В. Кирпичёва (1878–1955), выдающегося теплоэнергетика и основателя советской научной школы котлостроения, первый заместитель Председателя Совмина В. М. Молотов поручил АН СССР приступить к геотермальным исследованиям.

В 1954 году президиум АН СССР направил из Москвы на Камчатку экспедицию Лаборатории вулканологии Академии наук под руководством Б. И. Пийпа для выбора места строительства геотермальной электростанции. Уже в следующем году эта экспедиция рекомендовала начать разведочное бурение на юге Камчатки в районе Паужетских геотермальных источников — в 30 км от побережья Охотского моря у реки Паужетка.

В 1956 году на Камчатку выезжала комиссия президиума Академии наук СССР во главе с академиком М. А. Лаврентьевым. В её составе были академики И. Е. Тамм, А. Н. Тихонов, известные вулканологи, геотермики и гидрогеологи Б. И. Пийп, Ф. А. Макаренко, В. И. Влодавец, В. В. Иванов, Н. И. Нехорошев, Н. И. Хитаров, инженер А. А. Гавронский [3]. Комиссия выбрала точку заложения бурения первой 500-метровой скважины на площадке Паужетских геотермальных источников и утвердила программу работ созданной там же в 1957 году Контрольно-наблюдательной геотермальной станции Лаборатории вулканологии (Паужетская геотермальная экспедиция). Руководителем этой экспедиции был назначен Б. И. Пийп, гидрогеологическими исследованиями руководили В. В. Аверьев и В. М. Сугробов.

1957 год считается фактическим началом комплекса работ по строительству Паужетской ГеоТЭС. В 1957–1958 годах была пробурена первая в СССР пароводяная скважина. На глубине 120–300 м она вскрыла месторождение с пароводяной смесью температурой +200°C. С 1959 по 1963 годы на Паужетском месторождении были пробурены и опробованы 21 разведочная скважина, на десяти из которых были выполнены годовые опытно-эксплуатационные испытания.

Выдающийся вклад в развитие геотермальной геологии полуострова Камчатка внёс советский вулканолог В. В. Аверьев (1929–1968) [4]. Он возглавлял новое научное направление исследований о вулканизме как проявлении магматического вещества на поверхности Земли и о соответствующих геотермальных процессах [5]. В. В. Аверьев предложил произвести глубокое бурение в зону влияния магматических очагов под вулканами, которое только было реализовано в XXI веке в США и в Исландии. Под руководством В. В. Аверьева впервые в СССР на Паужетской станции была разработана, изготовлена и испытана аппаратура для испытания пароводяных скважин, разработаны методики испытаний (гидрогеологических, гидрохимических, гидротермических) и определения запасов геотермальных пароводяных месторождений.

После оценки потенциальной мощности Паужетской геотермальной системы в 30 МВт советское правительство в 1965 году приняло решение о строительстве Паужетской ГеоТЭС установленной мощностью 5 МВт. Результаты исследований Паужетского месторождения, а также других месторождений, были обобщены Б. И. Пийпом в книге [6], актуальной до настоящего времени. Проект Паужетской ГеоТЭС разработал инициатор проектирования отечественной геотермальной энергетики, главный специалист Новосибирского филиала института «Теплоэлектропроект» Б. М. Выморков (главный инженер проекта), и он же был первым директором этой станции. Технические решения Паужетской ГеоТЭС были приняты с учётом мирового опыта того времени [7] и передовых технологий отечественного энергостроения. Сепараторы были установлены на каждой из девяти эксплуатируемых скважинах (всего пробурено 79 скважин, фото 1).

На станции были установлены две паровые турбины мощностью 2,5 МВт каждая, переделанные персоналом станции из серийных машин Калужского турбинного завода (КТЗ). Оригинальная конструкция смешивающего конденсатора с речной водой обеспечивала устойчивую работу станции. Паужетская ГеоТЭС, первая в нашей стране, строилась два года и 19 августа 1966 года была введена в эксплуатацию. Она работает и в наши дни. На фото 2 представлен машинный зал Паужетской ГеоТЭС. Следует отметить, что с первых дней работ по разведке месторождения и до последних дней жизни инициатор строительства Паужетской ГеоТЭС А. А. Гавронский активно участвовал во всех этапах её создания [4]. Со временем менялись турбины и другое оборудование станции. В настоящее время в работе паровая турбина мощностью 6 МВт, также производства КТЗ, изготовленная в 1940 году, а вторая (той же мощности), переоборудованная из судовой турбины производства АО «Кировский завод» в 2006-м, находится в резерве. 

Паужетское геотермальное месторождение в настоящее время эксплуатируется АО «Тепло Земли», которое является правопреемником ГУП «Камчатскбургеотермия». Запасы месторождения утверждены в 2008 году на 25-летний срок эксплуатации с удельным расходом пара ГеоТЭС 2,5 кг/с при фактическом расходе 4,03 кг/с, что соответствует среднегодовой мощности станции 6,7 МВт, а при пиковом потреблении — до 11 МВт.

Сейчас на месторождении имеется 22 скважины глубиной от 405 до 1205 м, из которых десять действующих (добычных) с общим расходом пара 27,1 кг/с, достаточным для обеспечения электрической мощности до 10,9 МВт, с температурой пароводяной смеси на устье 179°C и давлении до 3 бар. Каждая добычная скважина оборудована сепаратором, пар из которого (около 10%) по трубопроводам централизовано подаётся на ГеоТЭС. Сепарат скважин в объёме 5% используется для теплоснабжения объектов в посёлке Паужетка, 8% подаётся в реинжекционную скважину, остальное в объёме 87% сбрасывается в ручей Быстрый и реку Паужетка. За девять месяцев 2019 года добыто 558,8 тыс. тонн при средней мощности 4,5 МВт. Выработка электроэнергии составила 326285 тыс. кВт·ч.

Первая в мире бинарная Паратунская ГеоТЭС мощностью 670 кВт была выполнена по изобретению академика С. С. Кутателадзе (1914–1986) в соавторстве с д.т.н. Л. М. Розенфельдом и Б. М. Выморковым, разработкам Института технической теплофизики (ИТТФ) СО АН СССР, ВНИИ холодильного оборудования и Ленинградского технологического института холодильной промышленности и проекту Новосибирского института ГипроНИИ АН СССР. Паратунская ГеоТЭС была построена в 1967 году в 70 км от ПетропавловскаКамчатского у посёлка Термальный.

Строительством и эксплуатацией данной станции занималась ученица С. С. Кутателадзе к.т.н. В. Н. Москвичева. Результаты работы ГеоТЭС в течение 2000 ч подтвердили её проектные характеристики. Через два года после ликвидации участка Новосибирского ИТТФ АН СССР данная ГеоТЭС прекратила работу [8].

С целью возрождения российских бинарных энерготехнологий и организации серийного производства бинарных электростанций (БЭС), в соответствии с приказом РАО «ЕЭС России» №500, была начата реализация проекта строительства бинарного энергоблока на Паужетской ГеоТЭС. В 2007 году московское ЗАО «Геоинком» (генеральный директор Г. В. Томаров) разработало технический проект типового бинарного энергоблока, а также технические проекты основного оборудования — испарителя-пароперегревателя, конденсатора и паровой турбины, выбрав в качестве рабочего цикла озонобезопасный хладон R134а. Была также разработана технологическая схема и рассчитаны её параметры, подобрано специальное вспомогательное оборудование и арматура, определены основные компоновочные и архитектурно-строительные решения.

Генеральным проектировщиком (московской компанией ОАО «НИИЭС») на базе технического проекта была разработана рабочая проектная документация на строительство опытно-промышленного экспериментального энергоблока (фото 3) с бинарным циклом мощностью 2,5 МВт на площадке Паужетской ГеоТЭС.

В 2014 году монтаж данной ГеоТЭС мощностью 2,5 МВт для утилизации тепла сепарата и конденсата паровых турбин был завершён, однако по ряду причин бинарный энергоблок не введён в эксплуатацию до настоящего времени.

Дальнейшее развитие бинарных энергоциклов было выполнено к.т.н. А. И. Калиной (1933–2018), который предложил использовать в качестве промежуточного рабочего тела водоаммиачную смесь (взамен фреонов), что более чем вдвое повысило эффективность бинарных электростанций [9]. Первая такая станция была построена в 1992 году за рубежом — в городе Лос-Анджелесе (США). В 1980-е годы Камчатская геотермальная школа Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в Петропавловске-Камчатском приступила к широкомасштабным исследованиям геотермальных месторождений, в том числе крупнейшего Мутновского, находящегося в 100 км от Петропавловска-Камчатского. В 1990 году Госкомитет по запасам СССР утвердил запасы Мутновского месторождения с суммарным дебитом пара 156,2 кг/с при давлении 6–8 бар (соответствует мощности 78 МВт), а ранее, в 1987-м, не дожидаясь подсчёта запасов, советское Минэнерго утвердило технико-экономическое обоснование (ТЭО) проекта строительства Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт, и в 1988-м была организована дирекция по её строительству [10].

На протяжении последующих пяти лет Минэнерго СССР и администрация Камчатской области пытались построить на Камчатке атомную электростанцию. Проблемы сейсмичности и отсутствие соответствующего оборудования заставили вернуться к строительству Мутновской ГеоТЭС. В 1993 году губернатор Камчатской области В. А. Бирюков в Лондоне инициировал выделение Европейским банком реконструкции и развития (ЕБРР) гранта исландской фирме Virkir-Orkinl для разработки ТЭО «Система геотермального электротеплоснабжения городов Елизово и Петропавловска-Камчатского» [11].

Аналогичную работу в России выполнил также московский институт «ВНИПИэнергопром» совместно с Калужским турбинным заводом. Банк отдал предпочтение исландскому ТЭО с комбинированной ГеоТЭС мощностью 50 МВт с теплофикационными турбинами, тепловой станцией с использованием тепла 600 т/ч сепарата и конденсата и со строительством теплопровода диаметром 500 мм, протяжённостью 83 км до города Елизово и далее до Петропавловска-Камчатского, и стоимостью $ 158 млн.

Российский вариант, при сохранении тех же параметров (установленная электрическая мощность 50 МВт, такая же теплотрасса), предусматривал раздельное сооружение конденсационной ГеоТЭС и такое же теплоснабжение указанных городов. Такой подход объяснялся особенностями российского финансирования строительства энергообъектов. РАО «ЕЭС России» утвердило ТЭО Мутновской ГеоТЭС и готово было финансировать лишь электрогенерацию. Для строительства объектов геотермального теплоснабжения в 1993 году была организована компания «КамТЭК», которая не смогла собрать средства потенциальных потребителей для реализации проекта.

В этой тупиковой ситуации проблемами геотермальной энергетики в 1990-е годы начал заниматься ведущий российский специалист по паровым турбинам АЭС д.т.н., профессор О. А. Поваров (1938–2006). В 1994 году он инициирует создание акционерного общества (АОЗТ «Геотерм») с участием руководителей РАО «ЕЭС России» и ОАО «Камчатскэнерго», и уже в 1995-м РАО «ЕЭС России» утверждает ТЭО на строительство ВерхнеМутновской ГеоТЭС мощностью 12 МВт и открывает финансирование проекта.

Директором строительства станции назначается В. Е. Лузин. В том же году начинает прибывать и монтироваться оборудование станции. Калужский турбинный завод изготовил 14 модулей вагонного типа, соединённых между собой закрытыми переходами. Были пробурены три продуктивные и две реинжекционные скважины. 29 декабря 1999 года Верхне-Мутновская ГеоТЭС (фото 4) была принята в эксплуатацию, а все проблемы в ходе пусконаладочных работ устранялись до декабря 2002-го (замена воздушной конденсаторной установки, а также защита электрооборудования станции от выделяющего из геотермальной воды сероводорода и т. п.).

Впервые в мировой практике были применены горизонтальные гравитационные сепараторы, обеспечивающие максимальное удаление воды из геотермального пара. При проектировании и строительстве Верхне-Мутновской ГеоТЭС были апробированы новые технические решения, которые затем применили при возведении Мутновской ГеоТЭС.

В 1996 году О. А. Поваров, имея большой авторитет в зарубежных научных кругах (стажировки в США, разработка ГеоТЭС «Сан-Хасинто» в Никарагуа и др.), инициировал выделение средств ЕБРР на разработку окончательного варианта ТЭО Мутновской ГеоТЭС японской компании West Japan Engineering Consultants, Inc. (West JEC), российскому АО «Наука» (президент О. А. Поваров) и новозеландской фирме CENZi. В 1997 году ЕБРР утвердил ТЭО Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт со стоимостью строительства $154 млн. В 1998 году было подписано соглашение между Правительством РФ и ЕБРР о выделение АОЗТ «Геотерм» кредита на $ 99,9 млн со сроком погашения три года. Остальные $ 55 млн обязались профинансировать РАО «ЕЭС России», ОАО «Камчатскэнерго» и администрация Камчатской области. Дополнительно за счёт ОАО «Камчатскэнерго» была построена ЛЭП 220 кВ и автодорога до города Елизово. Генеральным проектировщиком ГеоТЭС в 1999 году было назначено ОАО «Зарубежэнергомонтаж» (город Иваново), а генподрядчиком строительства — ФГУП «ВО Технопромэкспорт», имевшее многолетний опыт строительства электростанций за рубежом.

В 2002 году в установленный трёхлетний срок было завершено строительство и осуществлён пуск в эксплуатацию Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт (2×25 МВт), ставшей флагманом российской геотермальной энергетики (фото 5). При её создании были реализованы современные технико-технологические решения: высокоэффективные оригинальные горизонтальные сепараторы первой и второй ступеней, работающие на основе гравитационного принципа отделения влаги (производство ОАО «ЗиО», город Подольск), высокоэкономичные и надёжные двухпоточные паровые турбины, разработанные и изготовленные на Калужском турбинном заводе, современная распределённая АСУ ТП на базе оборудования фирмы Siemens [11, 12].

В соответствии со схемой и программой развития электроэнергетики Камчатского края на 2019–2023 годы (kamgov.ru), суммарная мощность электрогенерирующих станций Камчатки в 2018 году составляла 630 МВт (100%), в том числе избыточная мощность около 50%. Установленная мощность ГеоТЭС составляет 74 МВт (11,7% от суммарной установленной мощности или 23,5% от фактически используемой). При общей выработке электроэнергии в 2018 году на Камчатке 1816 млн кВт·ч (100%) основная доля приходится на ТЭЦ-1 (установленная мощность 204 МВт) и ТЭЦ-2 (160 МВт), которые обеспечивают 57% производства всей электроэнергии полуострова. На долю Мутновской и Верхне-Мутновской ГеоТЭС приходится 23,5% выработки электроэнергии (427 млн кВт·ч).

В настоящее время основным источником газоснабжения Камчатки является магистральный газопровод от Кшукского месторождения диаметром 530 мм и протяжённостью 392 км, построенный в 2012 году. В программе отмечено, что в 2019-м его производительность упала с 750 до 420 млн м³ в год, а к 2030 году она сократится до 120 млн м³ в год.

Соответственно, существующие электрогенерирующие мощности в количестве 364 МВт потребуют дополнительных объёмов топочного мазута или замещения геотермальными электростанциями. Ведущие специалисты России д.г.-м.н. А. В. Кирюхин и к.г.-м.н. В. М. Сугробов из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в работе [13] дают прогнозную оценку геотермальных ресурсов для выработки электрической энергии от 680 до 1100 МВт (по объёмному методу и по естественной тепловой нагрузке) и от 3000 до 3900 МВт (по интенсивности вулканической активности).

Применение авторами матмоделирования посредством программного обеспечения TOUGh3 (Transport of Unsaturated Groundwater and Heat, то есть «термогидродинамическое численное моделирование с прогнозом эксплуатации продуктивных геотермальных резервуаров с известными фильтрационно-ёмкостными и энергетическими свойствами») показывает возможность увеличения мощности эксплуатируемого Мутновского геотермального месторождения до 105 МВт, а Паужетского геотермального месторождения — до 11 МВт, в том числе с использованием бинарных технологий.

Геотермальные пароводяные месторождения разведаны также на курильских островах Кунашир, Итуруп и Парамушир. Разведочные работы первого геотермального месторождения на участке «Прибрежный» были начаты на Кунашире в 1964 году, а в 1976-м были утверждены его запасы. В. Л. Микиртумов (1943 г.р.) в 1977 году, работая в институте «Сахалингражданпроект», разработал ТЭО проекта геотермального теплоснабжения острова Кунашир. Предприятие АО «Энергия» заказало Калужскому турбинному заводу модульную геотермальную электростанцию «Омега-500» мощностью 500 кВт, которая была установлена у подножия вулкана Менделеевский в 1993 году. В составе энергоблока была противодавленческая турбина «Кубань-0,5», разработанная КТЗ совместно с АО «Южно-Русская энергетическая компания» (Краснодар).

В 1994 году были завершены работы по строительству Менделеевской ГеоТЭС мощностью 3,6 МВт с двумя энергоблоками «Туман-2Л» (производство КТЗ) мощностью 1,8 МВт каждый. В 1996-м был построен геотермальный теплопровод от ГеоТЭС в посёлок Горячий Ключ с закрытием пяти угольных котельных. В 1997 году на Менделеевской ГеоТЭС была смонтирована блочная станция «Туман» (КТЗ) мощностью 17 Гкал/ч, а в 2008-м по проекту института «Сахалингражданпроект» был построен теплопровод в посёлок Южно-Курильск протяжённостью 9 км вдоль океанской бухты с пересечением двух рек и с перепадом отметок до 100 м. В ЮжноКурильске теплопровод подключили к тепловому пункту бывшей котельной и обеспечили геотермальное отопление зданий посёлка. С 2011 по 2019 годы выполнялась реконструкция ГеоТЭС с установкой оборудования фирмы Ormat Technologies (США, Израиль). Мощность Менделеевской ГеоТЭС после реконструкции составит 7,4 МВт.

На другом курильском острове Итуруп в 2007 году по проекту института «Новосибирсктеплоэлектропроект» была построена Океанская ГеоТЭС установленной мощностью 3,6 МВт, с двумя энергоблоками «Туман-2Л» мощностью по 1,8 МВт каждый. В 2015-м после аварии станция была выведена из эксплуатации.

Выводы

1. Геотермальная энергетика из всех ВИЭ находится на третьем месте в мире по объёмам электрогенерации после ветровой и фотоэлектрической. При общей мощности мировых ГеоТЭС 13,3 ГВт установленная мощность ГеоТЭС РФ составляет 74 МВт при потенциальной мощности ГеоТЭС только Камчатки 1,1 ГВт. Кроме того, Россия — одна из пяти стран мира, обладающая технологиями производства геотермальных турбин и оборудования, геологической и научной школой мирового уровня, инженерными школами по проектированию и эксплуатации.

2. Развитие российской геотермальной энергетики осуществлялось учёными высочайшей научной и инженерной квалификации, инициировавшими важнейшие разработки на государственном уровне. Исследования пароводяных геотермальных месторождений Камчатки были начаты в 1930-е годы д.г.-м.н. Б. И. Пийпом. Его идеи развил в 1960-е годы В. А. Аверин, обосновавший теорию образования месторождения. После организации Б. И. Пийпом в 1962 году Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН Лаборатория геотермии выполнила исследования геотермальных ресурсов Камчатки, которые оценивались от 650 до 3900 МВт в зависимости от метода использования.

3. Строительство первой в СССР Паужетской ГеоТЭС на Камчатском полуострове в 1949 году предложил А. А. Гавронский; Б. М. Выморков руководил её эксплуатацией в первые годы. В 1967 году на Камчатке была построена первая в мире бинарная Паратунская ГеоТЭС. В основе её энергетического цикла лежало изобретение Б. М. Выморкова, академика С. С. Кутателадзе и д.т.н. Л. М. Розенфельда.

В 1980-е и 1990-е годы учёным мирового уровня О. А. Поваровым было инициировано сооружение Верхне-Мутновской и Мутновской ГеоТЭС — самых мощных геотермальных станций в Российской Федерации. В 2003 году по разработке д.т.н. Г. В. Томарова была построена бинарная Паужетская ГеоТЭС, которая адаптировала в себе современные технологические решения мирового уровня.

4. Предварительный анализ энергобаланса и генерирующих мощностей Камчатского края, опыта эксплуатации ГеоТЭС и геологических прогнозных оценок показал возможность обеспечения электрогенерации Камчатки за счёт использования геотермальной энергии суммарной мощностью от 116 до 3900 МВт.

5. Для определения перспектив развития геотермальной энергетики Курильских островов требуются дополнительные исследования.

На Дальнем Востоке обновятся геотермальные электростанции — Российская газета

Около трети генерации тепла и света в Камчатском крае приходится на возобновляемые источники энергии. Это один из рекордных показателей в стране.

«На возобновляемую энергетику — наша ставка. Мы как экологически ответственный регион должны продвигать «зеленые» технологии, — подчеркнул губернатор края Владимир Солодов. — Речь о двух основных направлениях. Первое — перевод котельных в отдаленных населенных пунктах на ветродизельные или солнцедизельные установки. Второе — использование геотермальной энергии. Сейчас на полуострове изучено 20 месторождений с ресурсами различного типа».

Камчатка была первым регионом, который еще во времена Советского Союза начал разрабатывать технологию использования тепла недр. В 1966 году построили Паужетскую ГеоЭС мощностью 11 МВт, источники ее энергии — вулканы Камбальный и Кошелев. В декабре 1999-го ввели опытно-промышленную Верхне-Мутновскую геоэлектростанцию. Ее установки выдавали 12 МВт. Через два года запустили первый блок крупнейшей в России Мутновской ГеоЭС на 25 МВт. В октябре 2002 года ее мощность довели до 50 МВт. В целом же запасов Мутновского месторождения парогидротерм достаточно для электростанций в 300 МВт.

«К сожалению, все используемые технологии относятся к советском периоду, — констатирует Солодов. — Однако ряд ГеоЭС будет расширен и модернизирован, ведь нам нужно переходить к более эффективной выработке электроэнергии на базе геотермальной воды. Она может обеспечивать значительную часть потребностей края в электроэнергетике и тепле».

Компания «РусГидро» разработала концепцию, которой предусмотрено доведение мощности существующих геотермальных станций до проектных значений, строительство на их площадках бинарных ГеоЭС, а также возведение Мутновской ГеоЭС-2. А вице-премьер — полпред президента РФ в ДФО Юрий Трутнев дал поручение Роснедрам и Росгеологии разработать программу бурения на территории Авачинского поля. Это недалеко от Петропавловска-Камчатского.

Кроме того, решено, что на Камчатке будет единый оператор геотермальной энергетики — «Тепло земли». Такой шаг устранит неконтролируемое расходование ресурсов, которое негативно влияет на состояние геотермальных месторождений. Намечено провести инвентаризацию существующих сетей, организовать бурение новых скважин и ремонт существующих.

2.8. Геотермальная энергетика — Энергетика: история, настоящее и будущее

2.8. Геотермальная энергетика

Выражение «геотермальная энергия» буквально означает, что это энергия тепла Земли («гео» – земля, «термальная» – тепловая). Основным источником этой энергии служит постоянный поток теплоты из раскаленных недр, направленный к поверхности Земли. Земная кора получает теплоту в результате трения ядра, радиоактивного распада элементов (подобно торию и урану), химических реакций. Постоянные времени этих процессов настолько велики относительно времени существования Земли, что невозможно оценить, увеличивается или уменьшается ее температура.

Запасы геотермальной энергии огромны. Геотермальная энергия в ряде стран (Венгрии, Исландии, Италии, Мексики, Новой Зеландии, России, США, Японии) широко используется для теплоснабжения, выработки электроэнергии. Так, в Исландии за счет геотермальной энергии обеспечивается 26,5% выработки электроэнергии.

В 2004 г. в мире суммарная мощность геотермальных электростанций составила около 9 млн. кВт, а геотермальных систем теплоснабжения – около 20 млн.кВт (тепловых). По прогнозам мощность геоТЭС может составить около 20 млн.кВт, а выработка электроэнергии – 120 млрд. кВт·ч.

Различают пять основных типов геотермальной энергии:

• нормальное поверхностное тепло Земли на глубине от нескольких десятков до сотен метров;
• гидротермальные системы, то есть резервуары горячей или теплой воды, в большинстве случаев самовыливной;
• парогидротермальные системы – месторождения пара и самовыливной пароводяной смеси;
• петрогеотермальные зоны или теплота сухих горных пород;
• магма (нагретые до 1300°С расплавленные горные породы).

Гейзеры в Исландии

Геотермальная энергия обеспечивает теплом столицу Исландии Рейкьявик. Уже в 1943 г. там были пробурены 32 скважины на глубину от 440 до 2400 м, по которым к поверхности поднимается вода с температурой от 60 до 130°С. Девять из этих буровых скважин действуют и по сей день.

ГеоТЭС Несьявеллир, Исландия

Таблица 2.5 Сфера использования термальных вод

Температура термальной воды, °С	Сфера использования
37–50	Бальнеология
50–70	Мелкомасштабная теплофикация, горячее водоснабжение, технологическое использование воды
70–120	Крупномасштабная теплофикация (города и большие сельскохозяйственные объекты), комплексное многоцелевое использование вод по мере выработки теплового потенциала
120–170	«Малая» электроэнергетика с использованием низкокипящих рабочих веществ типа фреона, аммиака и др.
170–220	«Средняя» электроэнергетика с прямым использованием пароводяной смеси
Больше 220	«Большая» электроэнергетика на природном сухом паре

Рис. 2.29. Схема геотермального теплоснабжения с использованием агрессивных геотермальных вод: 1 – подземный коллектор; 2 – приемная скважина; 3 – газошламоотделитель; 4 – нагнетательный насос; 5 – нагнетательная скважина; 6 – теплообменник системы отопления; 7 – насос системы отопления; 8 – теплообменник системы горячего водоснабжения; 9 – отопительная система; 10 – система горячего водоснабжения; 11 – источник воды горячего водоснабжения; 12 – система утилизации газов и шламов

Мутновская геоТЭС, Россия

Среди месторождений глубинной теплоты Земли существуют термоаномальные зоны месторождений теплоты, которые имеют повышенный геотермальный градиент в водонасыщенных проникающих горных породах. Таким образом, проявлением геотермальной теплоты, имеющей практическое значение, являются запасы горячей воды и пара в подземных резервуарах на относительно небольших глубинах и гейзеры, которые выходят на поверхность.

Геотермальные воды классифицируют по температуре, кислотности, уровню минерализации, жесткости.

Основным показателем пригодности геотермальных источников для использования является их природная температура, согласно которой они подразделяются на низкотермальные воды с температурой 40–70°С; среднетермальные воды с температурой 70–100°С; высокотермальные воды и пар с температурой 100–150°С; парогидротермы и флюиды с температурой выше 150°С.

Гейзеры в США

В США в Долине гейзеров расположено 19 геоТЭС общей мощностью 1300 МВт. Мощнейшая в мире геоТЭС (50 МВт) построена тоже в США – геоТЭС Хебер.

Гейзеры на Камчатке, Россия

Пригодность термальных вод для той или иной сферы использования иллюстрируется табл. 2.5.

В качестве примера на рис. 2.29 приведена одна из схем использования геотермальных вод для отопления и горячего водоснабжения, при этом рассматриваются воды особой агрессивности, которые непосредственно использовать невозможно.

Рис. 2.30. Принципиальная схема двухконтурной геоТЭС: 1 – скважина; 2 – теплообменник; 3 – парогенератор; 4 – турбина; 5 – электрогенератор; 6 – воздухоохлаждаемый конденсатор; 7 – конденсато-питательный насос; 8 – нагнетательный насос

Геотермальные электростанции (геоТЭС) имеют ряд особенностей:

• постоянный излишек энергоресурсов, что обеспечивает использование полной установленной мощности оборудования геоТЭС;
• достаточно простой уровень автоматизации;
• последствия возможных аварий ограничиваются территорией станции;
• удельные капиталовложения и себестоимость электрической энергии в основном могут быть ниже, чем на электростанциях, использующих другие возобновляемые источники энергии.

ГеоТЭС можно разделить на три основных типа:

• станции, работающие на месторождениях сухого пара;
• станции с парообразователем, работающие на месторождениях горячей воды под давлением;
• станции с бинарным циклом, в которых геотермальная теплота передается вторичной жидкости (например фреону или изобутану) и происходит классический цикл Ренкина.

На рис. 2.30 приведена принципиальная схема станции третьего типа – с бинарным циклом работы.

Наибольший эффект имеет место при комбинированных схемах использования геотермальных источников как теплоносителя для подогрева воды и выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, что обеспечивает значительную экономию органического топлива и увеличивает к.п.д. преобразования низкопотенциальной энергии. Такие комбинированные схемы позволяют использовать для выработки электроэнергии теплоносители с начальными температурами свыше 70–80°С.

Сегодня 58 стран используют тепло своих геотермальных ресурсов не только на производство электроэнергии, а непосредственно в виде тепла: для обогрева ванн и бассейнов – 42%; для отопления – 23%; для тепловых насосов – 12%; для обогрева теплиц – 9%; для подогрева воды в рыбных хозяйствах – 6%; в промышленности – 5%; для других целей – 2%; для сушения сельхозпродуктов, таяния снега и кондиционирования – 1%.

ГеоТЭС, построенные в США, Италии, России и других странах, по удельным капвложениям и стоимости электроэнергии могут конкурировать с современными ТЭС и АЭС.

В 2008 г. в мире установленная мощность электрогенерирующих геотермальных установок составила около 11 млн. кВт с выработкой около 55 млрд. кВт·ч.

Геотермальная электростанция в Исландии

По разным прогнозам мощность геотермальных станций к 2030 г. возрастет до 40–70 млн. кВт.

В Украине имеются значительные ресурсы геотермальной энергии. Месторождения геотермальных вод, пригодных к промышленному освоению в Украине, расположены в Закарпатской, Николаевской, Одесской, Херсонской областях и в АР Крым. Самыми перспективными для использования геотермальных ресурсов являются Карпатский регион и Крым. Менее значительный потенциал геотермальных вод имеется в Полтавской, Харьковской, Сумской и Черниговской областях. Годовой технический потенциал геотермальной энергии оценивается как эквивалентный 12 млн. т у.т., что обеспечивает перспективность развития геотермальной энергетики в стране.

Геотермальные ресурсы России

Под геотермальными ресурсами в широком смысле понимают запасы глубинного тепла Земли. Они могут быть представлены в виде пара, горячей воды, рапы естественного происхождения либо образовавшихся вследствие искусственного привнесения в геотермальные формации газа, воды и иных жидкостей. Различают также низко- и высокопотенциальные геотермальные ресурсы. Ресурсный потенциал геотермальной энергии признается столь же неисчерпаемым, как и солнечной или термоядерной.

Доля геотермальных ресурсов в топливно-энергетическом балансе промышленно развитых стран составляет в среднем 5–10%. Первое место с большим отрывом занимают Соединенные Штаты Америки, но уже вплотную подходят такие страны как Филиппины, Япония. В Исландии 80% населения обогревают свои дома геотермальным теплом.
В настоящее время до 60% используемых геотермальных ресурсов применяется в бальнеологии.

Выявленные запасы геотермальных вод с температурой 40–200°С, минерализацией до 35 г/л и глубиной залегания до 3500 м на территории России могут обеспечить получение примерно 14 млн м 3 горячей воды в сутки, что по количеству выносимой энергии эквивалентно примерно 30 млн т условного топлива (у. т.). Для нужд тепло-снабжения в режиме 70/20°С (в числителе температура поступающего, а в знаменателе — сбрасываемого теплоносителя) они распространены на 95% территории страны и составляют 57 трлн т у. т., в том числе в режиме отопления (90/40°С) — 69% территории и 30 трлн т у. т.

В настоящее время в стране эксплуатируются месторождения геотермальных вод на острове Сахалин, полуострове Камчатка и Курильских островах, в Краснодарском и Ставропольском краях, в республиках Дагестан, Ингушетия. Первая в мире геотермальная электростанция (ГеоЭС) — Паужетская — построена в Советском Союзе в 1965 г на юге полуострова Камчатка. Она работает до сих пор и её мощность достигает 11 МВт. После значительного перерыва, когда другие страны в строительстве геотермальных электростанций ушли далеко вперед, в 1999 г была введена в строй новая Мутновская геотермальная станция мощностью 12 мегаватт.

В отличие от остальных районов страны, полуостров Камчатка и Курильские острова лежат в зоне современного вулканизма, где термальные воды на ограниченных участках и небольших глубинах имеют температуры 80–200°С и выше; на полуострове Камчатка находится знаменитая Долина гейзеров с естественными фонтанами из горячей воды и пара.

При составлении карты ресурсов геотермального теплоснабжения были оценены ресурсы геотермальной энергии всей территории России для нужд теплоснабжения до глубины 10 км Оценка сделана для циркуляционной технологии освоения петрогеотермальных ресурсов в температурных режимах — 70/20°С и 90/40°С.

Ресурсы геотермального теплоснабжения распределены по территории России достаточно равномерно. По плотности их распределения на территории страны выделяются пять ресурсных интервалов геотермального теплоснабжения для режима 70/20°С и четыре интервала для режима 90/40°С. Интервалы заключены между изолиниями 0–2(0) т у. т./м 2 ; 2(0)–4(2) т у. т./м 2 ; 6(4)–8(7) т у. т./м 2 ; 8 т у. т./м 2 (в скобках приведены соответствующее значения ресурсов геотермальной энергии в режиме отопления 90/40°С).

Ресурсы геотермального теплоснабжения (температурный режим 70/20°С) характеризуются практически повсеместным распространением на территории России и охватывают 95% площади страны, в том числе 70% её площади располагают геотермальными ресурсами для отопления с температурным режимом 90/40°С. Энергетический потенциал технически доступного и экологически чистого альтернативного источника энергии для теплоснабжения в температурном режиме 70/20°С составляет 57 трлн т у. т., в том числе для отопления в температурном режиме 90/40°С — 30 трлн т у. т.

Важно отметить, что подземные воды большинства платформенных бассейнов обогащены редкими и рассеянными элементами и представляют интерес как гидроминеральное сырье. Их потенциальные ресурсы составляют около 4 млн м 3 /сут. При этом большие потенциальные ресурсы характерны для азотных термальных вод, приуроченных к Азово-Кубанскому и Восточно-Предкавказскому бассейнам (Краснодарский и Ставропольский края, республики Северного Кавказа) и имеющих различную минерализацию и состав (несколько типов минеральных вод). Ресурсы этих вод позволяют организовать их комплексное использование (как лечебного средства и теплоносителя).

Геотермальные насосные системы

Высокопроизводительные геотермальные насосные системы от компании «Новомет» обеспечивают надежную подачу высокотемпературной пластовой жидкости, при этом затрачивая лишь часть энергии, необходимой оборудованию конкурентов.

Проблема

Большинство погружных  насосов отказывают в условиях высоких температур и не выдерживают требований по диапазону подач, необходимых для подъема геотермальных вод на поверхность. Если же оборудование, способно работать в такой среде, то как правило, оно потребляет  существенное количество электроэнергии для питания скважинного насоса.

Решение

«Новомет» усовершенствовал существующую технологию погружных электроцентробежных насосов (ЭЦН) отработанную и доказавшую свою надежность и эффективность в эксплуатации нефтяных скважин. Теперь данная технология применима к еще более суровым, экстремальным условиям добычи геотермальных вод. 

Инженеры группы компаний «Новомет» предусмотрели возможность комплектации геотермальных установок как асинхронными, так и вентильными двигателями, поскольку оба вида двигателей зарекомендовали свою надежность. В сочетании высокоэффективными рабочими ступенями комплектные установки обеспечивают не только надежность, но и  значительно снижают энергопотребление. Для работы в суровых условиях добычи геотермальных вод наши двигатели имеют дополнительную оснастку термостойкими элементами и заправлены синтетическими моторными маслами. Кроме того, установки оборудованы тандемной гидрозащитой и двумя независимыми упорными подшипниками для дополнительного повышения надежности. В результате  мы получили высокоэффективную, производительную насосную систему с широким диапазоном подач, рассчитанную на эксплуатацию в условиях экстремальных температур до 250°C (480°F).

область применения

• Скважины по добыче геотермальных вод
• Добыча в условиях высоких температур

возможности

• Выдерживает температуру до 250°C (480°F)
• Перекачивает до 10 000 м³/сут (62 800 барр/сут)
• Потребляет на 25% меньше энергии, чем аналогичное оборудование

особенности

• Вентильный двигатель и рабочие ступени насосов специальной конструкции в совокупности  обеспечивают значительную экономию энергии, что позволяет увеличить эффективность генерации электрической энергии на поверхности, с учетом энергии потраченной на подъем жидкости.
• Термостойкие компоненты, тандемная гидрозащита и независимые упорные подшипники увеличивают надежность и сроки межремонтного периода.

Предпосылки современного решения

Большинство электростанций работают за счет преобразования энергии пара в электрическую энергию, более легкую в хранении и удобную использовании. Пар приводит в действие турбину, которая в свою очередь активирует генератор, вырабатывающий электроэнергию, столь необходимую для обеспечения жизнедеятельности современного общества. Для нагрева воды и создания пара, обычно используется так называемые горючие ископаемые (нефть, природный газ, горючие сланцы, торф, уголь)

Геотермальные скважины позволяют извлечь горячую воду из подземных резервуаров на поверхность и использовать в качестве источника пара исключая сжигание топлива. В результате мы получаем источник возобновляемой энергии, производство которой, позволяет снизить количество продуктов сгорания, выбрасываемых в атмосферу, при традиционных способах генерации.

Генерируйте энергию для людей, а не для работы насоса

Высокопроизводительные геотермальные насосные системы от компании «Новомет» используют на 25% меньше энергии по сравнению с аналогами. Учитывая дополнительный объем жидкости, поднятый за счет применения энергоэффективных  технологий, результат становятся еще более впечатляющими.

Новомет оптимизировал свои геотермальные установки для повышения их эффективности. Правильный подбор обеспечивает потребление энергии установками «Новомет» всего 0,56 кВт на 1 м³ извлеченных на поверхность геотермальных вод, в то время как потребление ближайшего аналога составляет 1,25 кВт на 1 м³.

Установки для добычи геотермальных вод «Новомет» потребляют вдвое меньше энергии, соответственно, доставляют вдвое больше жидкости на поверхность, в расчете на киловат используемой энергии.

 

 

Габарит	Внешний диаметр	Диапазон подач	Напор
			ПВЭДН500-185 500 кВт	ПВЭДН1000-185 1000 кВт	ПВЭДН2000-230 2000 кВт
8	6.77 дюймов	30000 барр/сут (@60Гц)	2297 футов	3937 футов	7874 футов
	172 мм	4000 м3/сут (@50Гц)	700 м	1200 м	2400 м
9	7.40 дюймов	38000 барр/сут (@60Гц)	1969 футов	3773 футов	7218 футов
	188 мм	5000 м3/сут  (@50Гц)	600 м	1150 м	2200 м
9	7.40 дюймов	47500 барр/сут (@60Гц)	1640 футов	3117 футов	6562 футов
	188 мм	6300 м3/сут  (@50Гц)	500 м	950 м	2000 м
10	9.00 дюймов	75500 барр/сут (@60Гц)	984 футов	2297 футов	4593 футов
	229 мм	10000 м3/сут  (@50Гц)	300 м	700 м	1400 м
10	9.00 дюймов	60000 барр/сут (@60Гц)	1312 футов	2953 футов	5742 футов
	229 мм	8000 м3/сут  (@50Гц)	400 м	900 м	1750 м

Объяснение геотермальной энергии — Управление энергетической информации США (EIA)

Что такое геотермальная энергия?

Геотермальная энергия — это тепло земли. Слово геотермальное происходит от греческих слов geo (земля) и therme (тепло). Геотермальная энергия — это возобновляемый источник энергии, потому что тепло постоянно вырабатывается внутри Земли. Люди используют геотермальное тепло для купания, обогрева зданий и выработки электроэнергии.

Источник: адаптировано из рисунка Национального проекта развития энергетического образования (общественное достояние)

Геотермальная энергия исходит из недр земли

Медленный распад радиоактивных частиц в ядре Земли, процесс, который происходит во всех породах, производит геотермальную энергию.

Земля состоит из четырех основных частей или слоев:

• Внутреннее ядро ​​из твердого железа диаметром около 1500 миль
• Внешнее ядро ​​горячей расплавленной породы, называемой магмой, толщиной около 1500 миль.
• Мантия из магмы и горных пород, окружающая внешнее ядро, толщиной около 1800 миль
• Корка твердой породы, которая образует континенты и дно океана, толщиной от 15 до 35 миль под континентами и от 3 до 5 миль под океанами

Ученые обнаружили, что температура внутреннего ядра Земли составляет около 10 800 градусов по Фаренгейту (° F), что соответствует температуре поверхности Солнца.Температуры в мантии колеблются от примерно 392 ° F на верхней границе с земной корой до примерно 7230 ° F на границе мантия-ядро.

Земная кора разбита на части, называемые тектоническими плитами. Магма приближается к поверхности земли около краев этих плит, где происходит множество вулканов. Лава, извергающаяся из вулканов, частично является магмой. Скалы и вода поглощают тепло магмы глубоко под землей. Скалы и вода, обнаруженные глубоко под землей, имеют самые высокие температуры.

Последнее обновление: 19 ноября 2020 г.

Использование геотермальной энергии — Управление энергетической информации США (EIA)

• Системы прямого использования и централизованного теплоснабжения
• Геотермальные электростанции
• Геотермальные тепловые насосы

Системы прямого использования и централизованного теплоснабжения

В системах прямого использования и централизованного теплоснабжения используется горячая вода из источников или резервуаров, расположенных у поверхности земли.Древние римские, китайские и индейские культуры использовали горячие минеральные источники для купания, приготовления пищи и обогрева. Сегодня многие горячие источники по-прежнему используются для купания, и многие люди считают, что горячие, богатые минералами воды полезны для здоровья.

Геотермальная энергия также используется для непосредственного обогрева отдельных зданий и для обогрева нескольких зданий с помощью систем централизованного теплоснабжения. Горячая вода у поверхности земли подается в здания для обогрева. Система централизованного теплоснабжения обеспечивает теплом большинство зданий в Рейкьявике, Исландия.

Промышленные применения геотермальной энергии включают обезвоживание (сушку) пищевых продуктов, добычу золота и пастеризацию молока.

Производство геотермальной электроэнергии

Для выработки геотермальной электроэнергии требуется вода или пар при высоких температурах (от 300 ° до 700 ° F). Геотермальные электростанции обычно строятся там, где расположены геотермальные резервуары, в пределах одной или двух миль от поверхности земли.

Соединенные Штаты являются мировыми лидерами по производству геотермальной электроэнергии.В 2020 году в семи штатах были геотермальные электростанции, которые производили около 17 миллиардов киловатт-часов (кВтч), что составляет 0,4% от общего объема производства электроэнергии в США.

Государства с геотермальными электростанциями в 2020 году

	Доля государства в общем производстве геотермальной электроэнергии в США	Доля геотермальной энергии в общем объеме производства электроэнергии государством
Калифорния	70.5%	6,1%
Невада	24,5%	10,2%
Юта	2,1%	1,0%
Гавайи	1,2%	2,2%
Орегон	0,9%	0,2%
Айдахо	0.5%	0,5%
Нью-Мексико	0,3%	0,2%

Международное производство геотермальной электроэнергии

В 2018 году 27 стран, включая США, произвели в общей сложности около 83 миллиардов кВтч электроэнергии за счет геотермальной энергии. Индонезия была вторым по величине производителем геотермальной электроэнергии после США, производя почти 14 миллиардов кВтч электроэнергии, что равнялось примерно 5% от общего объема производства электроэнергии в Индонезии.Кения была восьмым по величине производителем геотермальной электроэнергии с производительностью около 5 миллиардов кВтч, но на нее приходилась самая большая доля от общего годового производства электроэнергии за счет геотермальной энергии — 46%.

Геотермальные тепловые насосы

Геотермальные тепловые насосы используют постоянные температуры у поверхности земли для обогрева и охлаждения зданий. Геотермальные тепловые насосы передают тепло от земли (или воды) в здания зимой и обращают вспять процесс летом.

Последнее обновление: 22 марта 2021 г.Данные по США являются предварительными на 2020 год.

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия — это тепло, получаемое в недрах земли. Вода и / или пар переносят геотермальную энергию на поверхность Земли. В зависимости от характеристик геотермальная энергия может использоваться для отопления и охлаждения или использоваться для производства чистой электроэнергии. Однако для производства электроэнергии требуются высокотемпературные или среднетемпературные ресурсы, которые обычно расположены близко к тектонически активным регионам.

Этот ключевой возобновляемый источник покрывает значительную долю спроса на электроэнергию в таких странах, как Исландия, Сальвадор, Новая Зеландия, Кения и Филиппины, и более 90% спроса на тепло в Исландии. Основные преимущества заключаются в том, что он не зависит от погодных условий и имеет очень высокие коэффициенты пропускной способности; по этим причинам геотермальные электростанции могут поставлять электроэнергию базовой нагрузки, а также в некоторых случаях предоставлять вспомогательные услуги для обеспечения гибкости в краткосрочной и долгосрочной перспективе.

Существуют различные геотермальные технологии с разными уровнями зрелости. Технологии прямого использования, такие как централизованное теплоснабжение, геотермальные тепловые насосы, теплицы и другие приложения, широко используются и могут считаться зрелыми. Технология производства электроэнергии из гидротермальных резервуаров с естественной высокой проницаемостью также является зрелой и надежной и работает с 1913 года. Многие из действующих сегодня электростанций представляют собой электростанции с сухим паром или мгновенные испарения (одинарные, двойные и тройные), использующие температуры более 180 ° C.Однако среднетемпературные поля все больше и больше используются для производства электроэнергии или для комбинированного производства тепла и электроэнергии благодаря развитию технологии бинарного цикла, в которой геотермальная жидкость используется через теплообменники для нагрева технологической жидкости в замкнутом контуре. Кроме того, разрабатываются новые технологии, такие как усовершенствованные геотермальные системы (EGS), которые находятся на стадии демонстрации.

Чтобы способствовать более широкому развитию геотермальной энергетики, IRENA координирует и содействует работе Глобального геотермального альянса (GGA) — платформы для расширенного диалога и обмена знаниями для согласованных действий по увеличению доли установленной геотермальной электроэнергии и тепла во всем мире.

Для содействия более широкому развитию геотермальной энергетики IRENA координирует и содействует работе

Global Geothermal Alliance (GGA) — платформы для расширенного диалога и обмена знаниями для скоординированных действий по увеличению доли установленной геотермальной электроэнергии и тепла во всем мире.

---

---

Основы геотермальной энергетики | Министерство энергетики

Геотермальная энергия — гео (земля) + тепловая (тепло) — это тепловая энергия земли.

Что такое геотермальный ресурс?

Геотермальные ресурсы — это резервуары горячей воды, которые существуют при различных температурах и на глубине ниже поверхности Земли. В подземные резервуары можно пробурить скважины глубиной мили и более для отбора пара и очень горячей воды, которые могут быть выведены на поверхность для использования в различных сферах, включая производство электроэнергии, прямое использование, а также отопление и охлаждение. В США большинство геотермальных резервуаров расположено в западных штатах.

Преимущества геотермальной энергии

Возобновляемые источники —При правильном управлении резервуаром скорость извлечения энергии может быть уравновешена естественной скоростью восполнения тепла резервуара.

Базовая нагрузка —Геотермальные электростанции стабильно вырабатывают электроэнергию, работая 24 часа в сутки / 7 дней в неделю, независимо от погодных условий.

Внутренний —US геотермальные ресурсы можно использовать для производства электроэнергии без импорта топлива.

Компактность —Геотермальные электростанции компактны; используя меньше земли на ГВтч (404 м ² ), чем угля (3642 м ² ) ветра (1335 м ² ) или солнечной фотоэлектрической энергии с центральной станцией (3237 м ² ). *

Clean — Современные геотермальные электростанции замкнутого цикла не выбрасывают парниковые газы; Выбросы парниковых газов в течение жизненного цикла (50 г CO ₂ экв / кВтч) в четыре раза меньше, чем у солнечных фотоэлектрических систем, и в 6-20 раз меньше, чем у природного газа. Геотермальные электростанции потребляют меньше воды в среднем за весь срок выработки энергии, чем самые традиционные технологии генерации.**

Управление геотермальных технологий фокусируется на использовании этого чистого внутреннего природного ресурса для производства электроэнергии путем ускорения краткосрочного внедрения гидротермальных и низкотемпературных систем и смелого использования EGS в качестве преобразующего игрока, создавая коммерческий путь к крупномасштабным воспроизводимым системы.

Гидротермальные системы

Низкотемпературные и совместно производимые ресурсы

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS)

В портфеле проектов Министерства энергетики продолжается изучение новых технологий в этих областях, чтобы ускорить внедрение геотермальной энергии в Америке.

---

* Управление геотермальной энергии. Путеводитель по геотермальной энергии и окружающей среде. 2007.

** Аргоннская национальная лаборатория. Результаты анализа жизненного цикла геотермальных систем по сравнению с другими энергосистемами; Рис. 16, стр. 43. Август 2010 г.

Аргоннская национальная лаборатория. Использование воды при разработке и эксплуатации геотермальных электростанций; Таблица 4-3, стр. 26. Январь 2011 г.

Геотермальные тепловые насосы | Министерство энергетики

Геотермальные тепловые насосы (GHP), иногда называемые GeoExchange, земные, наземные или водные тепловые насосы, используются с конца 1940-х годов.В качестве обменной среды они используют относительно постоянную температуру земли, а не температуру наружного воздуха.

Хотя во многих частях страны наблюдаются сезонные экстремальные температуры — от палящей жары летом до минусовых морозов зимой — в нескольких футах ниже поверхности земли температура земли остается относительно постоянной. В зависимости от широты температура земли колеблется от 45 ° F (7 ° C) до 75 ° F (21 ° C). Как и в пещере, эта температура земли теплее воздуха над ней зимой и прохладнее воздуха летом.GHP использует преимущества этих более благоприятных температур, чтобы стать высокоэффективным за счет обмена теплом с землей через наземный теплообменник.

Как и любой тепловой насос, геотермальные тепловые насосы и тепловые насосы с водным источником могут нагревать, охлаждать и, если таковые имеются, снабжать дом горячей водой. Некоторые модели геотермальных систем доступны с двухскоростными компрессорами и регулируемыми вентиляторами для большего комфорта и экономии энергии. По сравнению с воздушными тепловыми насосами они тише, служат дольше, не требуют особого обслуживания и не зависят от температуры наружного воздуха.

Тепловой насос с двумя источниками энергии объединяет тепловой насос с воздушным источником тепла и геотермальный тепловой насос. Эти устройства сочетают в себе лучшее из обеих систем. Тепловые насосы с двойным источником имеют более высокие показатели эффективности, чем агрегаты с воздушным источником, но не так эффективны, как геотермальные агрегаты. Основное преимущество систем с двумя источниками энергии состоит в том, что они стоят намного дешевле в установке, чем одиночный геотермальный блок, и работают почти так же хорошо.

Несмотря на то, что стоимость установки геотермальной системы может в несколько раз превышать стоимость установки системы с воздушным источником тепла и холода, дополнительные затраты могут окупиться за счет экономии энергии через 5-10 лет, в зависимости от стоимости энергии. и доступные стимулы в вашем районе.Срок службы системы оценивается до 24 лет для внутренних компонентов и 50+ лет для контура заземления. Ежегодно в США устанавливается около 50 000 геотермальных тепловых насосов. Для получения дополнительной информации посетите Международную ассоциацию наземных тепловых насосов.

Основы геотермальной энергетики | NREL

Геотермальная энергия — это тепло земли. Это тепло используется для купания, для обогрева здания, и для выработки электроэнергии.

Слово геотермальное происходит от греческих слов geo (земля) и therme (тепло), и геотермальная энергия является возобновляемым источником энергии, потому что тепло производится непрерывно внутри земли. Многие технологии были разработаны для использования геотермальной энергии. энергия:

• Резервуары горячей воды или пара глубоко в земле, к которым можно получить доступ путем бурения
• Геотермальные резервуары, расположенные у поверхности земли, в основном на западе. U.С., Аляска и Гавайи
• Неглубокий грунт у поверхности Земли, поддерживающий относительно постоянную температуру. 50-60 ° F.

Такое разнообразие геотермальных ресурсов позволяет использовать их как на крупных, так и на малых предприятиях. Весы. Коммунальное предприятие может использовать горячую воду и пар из резервуаров для привода генераторов. и производить электроэнергию для своих клиентов.В других приложениях используется выделяемое тепло от геотермальной энергии непосредственно до различных применений в зданиях, дорогах, сельском хозяйстве и промышленности растения. Третьи используют тепло непосредственно от земли для обогрева и охлаждение в домах и других зданиях. Узнайте больше о геотермальных исследованиях NREL.

Геотермальные приложения

Тепловые насосы

Тепловые насосы используют температуру земной поверхности для обогрева и охлаждения.Узнайте больше о тепловых насосах.

Производство электроэнергии

Производство электроэнергии — это производство электроэнергии из тепла земли. Узнайте больше о производстве электроэнергии.

Прямое использование

Прямое использование производит тепло непосредственно из горячей воды в земле.

---

Дополнительные ресурсы

Для получения дополнительной информации о геотермальных технологиях посетите следующие ресурсы:

Программа геотермальных технологий
U.S. Управление энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США

Energy Kids Основы геотермальной энергетики
Управление энергетической информации США Energy Kids

Геотермальная энергия 101

Производство электроэнергии: геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции используют горячую воду для выработки пара для вращения турбины для выработки электроэнергии. Поскольку тепло воды является важным компонентом геотермальной электростанции, эти активные системы обычно располагаются там, где существуют гидротермальные резервуары.

Есть три основных вида геотермальных электростанций: сухой пар, мгновенный пар и бинарный цикл.

Геотермальные электростанции с сухим паром являются оригинальным типом систем геотермальных электростанций. Электростанции с сухим паром используют пар, вырабатываемый гидротермальным резервуаром, непосредственно для вращения турбин генератора.

Паровая электростанция мгновенного действия является наиболее распространенным типом геотермальных электростанций в мире и более энергоэффективна, чем модель с сухим паром.Паровые электростанции мгновенного действия работают в резервуарах с высоким давлением, где температура воды обычно превышает 360 ° F. Давление выталкивает перегретую воду на поверхность, где она попадает в резервуар под давлением, намного меньшим, чем существует под землей. Когда вода достигает резервуара, более низкое давление заставляет часть воды «вспыхивать» или испаряться, образуя пар, который вращает турбину. Вода, которая не прошла мгновенную вспышку, закачивается обратно в гидротермальный резервуар для дальнейшего использования.

Наконец, электростанция с бинарным циклом — новейшая технология, на которую приходится подавляющая часть роста геотермальной энергии в Соединенных Штатах и ​​во всем мире в последние десятилетия — использует две циркуляционные дорожки для движения жидкости.Вода из гидротермальных резервуаров (часто с более низкой температурой, чем это требуется для других типов геотермальных электростанций) для нагрева другого рабочего тела с гораздо более низкой температурой кипения. Горячая вода повторно закачивается обратно в резервуар, в то время как нагретая рабочая жидкость испаряется, образуя пар, который вращает турбину генератора. Жидкость, забираемая из-под земли, иногда называемая геофлюидом , может содержать растворенный в ней CO₂. В то время как другие системы используют геофлюид напрямую и позволяют CO₂ улетучиваться из жидкости, системы бинарного цикла этого не делают; поскольку геофлюид и рабочая жидкость никогда не вступают в прямой контакт, CO₂ в геофлюиде не выделяется, а вместо этого повторно улавливается под землей.Следовательно, системы с бинарным циклом приводят к незначительным (на основе жизненного цикла) выбросам парниковых газов и твердых частиц или их отсутствию (при эксплуатации).

Однако, несмотря на эти многочисленные варианты использования, геотермальная энергия составляла лишь 0,5 процента чистой выработки электроэнергии в США по состоянию на апрель 2020 года, и за последние несколько лет в США не наблюдалось значительного роста. (Более значительный рост наблюдается в других частях мира, но, учитывая, что США по-прежнему являются крупнейшим чистым генератором электроэнергии из геотермальных источников, эти выгоды по-прежнему остаются довольно небольшими.)

Неэлектрические геотермальные приложения

В дополнение к производству электроэнергии, применения геотермальной энергии включают регулирование температуры (как нагрев, так и охлаждение) и промышленные процессы.

Контроль температуры обычно обеспечивается геотермальными тепловыми насосами, которые полагаются на геотермальную энергию, находящуюся всего на 5-15 футов ниже поверхности, называемую пассивной геотермальной, а не более глубокие резервуары с горячей водой, используемые в других приложениях. Геотермальные тепловые насосы регулируют температуру, обменивая воздух из-под земли, который летом холоднее, чем на поверхности, и теплее зимой, с воздухом внутри здания.

В системах централизованного теплоснабжения и в системах непосредственного личного пользования горячая вода у поверхности Земли используется либо в качестве источника горячей воды (например, для наполнения бассейнов в спа с горячими источниками или для нагрева воды на рыбных фермах), либо в качестве источника тепло, подводимое из-под земли в здания для отопления. Геотермальные системы также используются в промышленных условиях, где тепло является важным компонентом процесса, такого как пастеризация молока или обезвоживание пищевых продуктов.