3.4 Геотермальная энергия

Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Так, например, маленькая европейская страна Исландия - "страна льда" в дословном переводе - полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли - других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами-фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. [1]

Геотермальная энергия - это энергия, получаемая за счет физического тепла глубинных слоев земли, имеющих температуру, превышающую температуру воздуха на поверхности. Носителями этой энергии могут быть как жидкие флюиды (вода и/или пароводяная смесь), так и сухие горные породы, расположенные на соответствующей глубине. Из недр Земли на ее поверхность постоянно поступает тепловой поток, интенсивность которого в среднем по земной поверхности составляет около 0,03 Вт/м². Под воздействием этого потока, в зависимости от свойств горных пород, возникает вертикальный градиент температуры - так называемая геотермальная ступень. В большинстве мест она составляет не более 2-3К/100м. Но в местах молодого вулканизма, вблизи разломов земной коры геотермальная ступень повышается в несколько раз и уже на глубинах в несколько сот метров, а иногда нескольких километров, находятся либо сухие горные породы, нагретые до 100^о С и более, либо запасы воды или пароводяной смеси с такими температурами.

Рисунок 18. Схема разреза Альпийского нагорья с наличием геотермальных электростанций. Источник: [15].

Считается, что если температура в геотермальном месторождении превышает 100^о С, оно пригодно для создания геотермальной электростанции (ГеоЭС). При более низкой температуре геотермальный флюид целесообразно использовать для теплоснабжения. Если температура флюида для непосредственного теплоиспользования слишком низка, ее можно поднять, применяя тепловые насосы (ТН). [1] На данный момент общая мощность всех действующих в мире ГеоЭС близится к 10 ГВт (э). Общая мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения оценивается в 17 ГВт (т). Россия чрезвычайно богата на запасы геотермальной энергии. По данным ИНЭИ РАН, они в10-15 раз превышают запасы органического топлива в стране. Практически на всей территории страны есть запасы геотермального тепла с температурами в диапазоне от 30^о до 200^о С. На сегодняшний день на территории России пробурено около 4000 скважин на глубину до 5000 м, которые можно использовать для локального теплоснабжения при помощи высоких технологий на всей территории России. Так как скважины уже пробурены, геотермальная энергия, получаемая за счет них, будет экономически выгодной.

Рисунок 19. Технический потенциал использования геотермальной энергии в России. Источник: агентство по прогнозированию балансов в электроэнергетике.

В России наиболее перспективным регионом для строительства ГеоЭС является Камчатка, располагающая уникальными геотермальными месторождениями. Там действует Паужетская ГеоЭС мощностью 11 МВт (э), а также Кавказ. В 1999г. введены в эксплуатацию 3 блока по 4 МВт (э) Верхне-Мутновской ГеоЭС, начато строительство Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 250 МВт (э). В развитие геотермальной энергетики Камчатки определяющий вклад вносит специально созданное для этой цели ОАО "ГЕОТЕРМ", Калужский турбинный завод, разработавший и освоивший в производстве современное специализированное оборудование, поставляемое не только на Камчатку, но и за рубеж. Имеется опыт теплоснабжения малых городов, поселков, тепличных комплексов и т.п. с использованием геотермального тепла, прежде всего, на Камчатке, Курилах и Северном Кавказе. Как перспективные для внедрения геотермального теплоснабжения рассматриваются Омская и Тюменская области, западная часть Новосибирской области и северная часть Томской области. Основные проблемы геотермального теплоснабжения связаны с солеотложением и коррозионной стойкостью материалов и оборудования, работающих в условиях агрессивной среды. В этой связи представляет большой практический интерес внедрение двухконтурных систем теплоснабжения с использованием эффективного и коррозионно-стойкого современного теплообменного оборудования. [10]

В России большое количество запасов термальных вод с довольно невысокой температурой, недостаточной для непосредственного теплоиспользования. Особый интерес представляет и тепло поверхностных слоев грунта, температура которых на глубине в несколько десятков метров круглый год остается практически неизменной и равна среднегодовой температуре воздуха в этом месте. Это означает, что зимой грунт может служить низкопотенциальным источником тепла для отопления с помощью тепловых насосов.

Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду. Основными негативными факторами являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха попутными газами (bhS, СН, NH4); тепловое загрязнение окружающей среды; повышение влажности воздуха за счет испарения в градирнях.

Во многих странах проводятся исследовательские работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов.

Также оправдано строительство геотермальных электростанций неподалеку от мусорных полигонов. На мусорных свалках, вследствие разложения органических отходов, образуется газ с очень интенсивным запахом, состоящий главным образом из горючего метана и двуокиси углерода. Из тонны мусора образуется около 150-250 м³ газа. Метан из мусора дает тепло и энергию и снижает загрязнение окружающей среды. Схема производства энергии при помощи газа мусорных полигонов представлена на рисунке 20.

Рисунок 20. Схема преобразования тепла и энергии метана в электроэнергию. Источник: [16].

Достоинствами геотермальной энергии можно считать практическую неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, времени суток и года, возможность комплексного использования термальных вод для нужд теплоэлектроэнергетики и медицины. Недостатками ее являются высокая минерализация термальных вод большинства месторождений и наличие токсичных соединений и металлов, что исключает в большинстве случаев сброс термальных вод в природные водоемы. [11]

3.5 Энергетические ресурсы морей и океанов

Периодические колебания уровня воды (подъемы и спады) в акваториях на Земле, которые обусловлены гравитационным притяжением Луны и Солнца, действующим на вращающуюся Землю. Все крупные акватории, включая океаны, моря и озера, в той или иной степени подвержены приливам и отливам, хотя на озерах они невелики. Приливы и отливы циклически чередуются в соответствии с изменяющейся астрономической, гидрологической и метеорологической обстановкой. Последовательность фаз приливов и отливов определяется двумя максимумами и двумя минимумами в суточном ходе.

Приливные электростанции (ПЭС) используют энергию морских приливов и отливов, возникающих в результате гравитационного взаимодействия вращающейся вокруг своей оси Земли с Луной и Солнцем. Лунные приливы примерно в два с половиной раза сильнее солнечных. Во многих случаях солнечные и лунные приливы могут совмещаться, взаимно усиливая или ослабляя друг друга.

Рисунок 21. Схема действия приливных электростанций. Источник: [15].

В открытом море приливная волна невысокая и практически не ощущается, но вблизи берегов ее высота может существенно возрастать, достигая нескольких метров, что позволяет использовать энергию перемещаемой приливом воды для выработки электроэнергии на ПЭС. [4]

Приливы, как и отливы, происходят дважды в день в заранее известное время. Их высота также известна и закономерно изменяется в течение месяца. В связи с этим ПЭС имеют четкий и неизменный график работы, выдавая электрический ток в энергосистему четыре раза в сутки.

Из всех разработанных методов использования энергии приливов и отливов наиболее эффективным является создание системы приливных бассейнов. При этом колебания уровня воды, связанные с приливо-отливными явлениями, используются в системе шлюзов так, что постоянно поддерживается перепад уровней, позволяющий получать энергию. Мощность приливных электростанций непосредственно зависит от площади бассейнов-ловушек и потенциального перепада уровней. Последний фактор, в свою очередь, является функцией амплитуды приливо-отливных колебаний. Достижимый перепад уровней, безусловно, наиболее важен для производства электроэнергии, хотя стоимость сооружений зависит от площади бассейнов. [3]

Энергия приливных течений может быть преобразована подобно тому, как это делается с энергией ветра. Преобразование энергии приливов использовалось для приведения в действие сравнительно маломощных устройств еще в средневековой Англии и в Китае.

Теоретический потенциал приливной энергетики в России составляет более 100 ГВт по мощности и более 250 млрд кВтч по среднегодовой выработке. Подавляющая часть этого потенциала сконцентрирована в трех створах - Мезенском (Белое море), Тугурском и Пенжинском (Охотское море).

В настоящее время экономически эффективным считается использование приливов с высотой не менее 4 м. Высота приливов сильно зависит от конфигурации побережья. Во внутренних морях, например в Черном и Балтийском, приливы невелики. Как правило, наибольшие приливы возникают в глубоко вдающихся вглубь материка заливах, в том числе в устьях рек. Наибольшая известная высота приливов (до 18 м) наблюдается в заливе Фанди в Канаде. [3]

Рисунок 22. Характеристика ПЭС России. Источник: INFOLine.

В настоящее время приливные электростанции действуют в России на Кольском п-ове на берегу Баренцева моря и в Приморье.

Перспективные для строительства ПЭС участки есть в России, Великобритании, Франции, Норвегии, Южной Корее, Китае, Аргентине, США. Всего не менее 80 створов. В целом экономически эффективный к использованию потенциал приливной энергии сегодня оценивается в 450 млрд кВтч в год, в дальнейшем по мере совершенствования приливных электростанций его величина может существенно возрасти. [10]

3.1 Использование низкопотенциального тепла в сочетании с тепловыми насосами

Сегодня отопление и горячее водоснабжение (ГВС) городских объектов осуществляется, зачастую, от городских ТЭЦ или районных котельных, работающих на традиционных топливах. Автономные потребители (частные дома, дачные поселки), как правило, используют для отопления и горячего водоснабжения или жидкие углеводородные газы, или электроэнергию.

В то же время имеется большое количество различных источников низкопотенциального тепла, как природных, так и искусственных, которые в сочетании с тепловыми насосами (ТН) могут составить конкуренцию традиционным топливам. Естественными источниками низкопотенциального тепла могут быть атмосферный воздух, подпочвенные и грунтовые воды, озерная и речная вода, поверхностный и глубинный грунт.

Рисунок 23. Схема получения тепла при помощи теплового насоса. Источник: [14].

Вентиляционный воздух из жилых, офисных, торговых помещений, отработанный воздух или вода производственных технологических процессов, тепло отработанных газов при сжигании топлива, различные теплые сбросы промышленных предприятий, вентиляционные выбросы, канализационные системы - это все то, что может выступать искусственным (вторичным) источником тепла. Их потенциал достаточно велик, но в каждом отдельном случае требует разработки оптимальных систем для его использования. [11]

США, Швеция, Канада и другие страны с климатом, как в России, уже давно отапливают административные здания и жилые помещения при помощи ТН. Практическое использование ТН в России на сегодняшний день не велико, общая тепловая мощность всех теплонасосных установок в России составляет порядка 100 МВт, а их количество не превышает 150 образцов. А в мире к настоящему времени масштабы внедрения тепловых насосов ошеломляют:

В Швеции 50% всего отопления обеспечивают тепловые насосы;

В Германии предусмотрена дотация государства на установку тепловых насосов в размере 400 марок за каждый кВт установленной мощности;

В Японии ежегодно производится около 3 млн тепловых насосов;

В США ежегодно производится около 1 млн тепловых насосов;

В Стокгольме 12% всего отопления города обеспечивается тепловыми насосами общей мощностью 320 МВт, использующими как источник тепла Балтийское море с температурой +8°С. [11]

Используя ТН, мы можем преобразовывать тепло низкопотенциального источника в тепло с температурой, нужной потребителю. При этом ТН затрачивает относительно небольшое количество тепла на его привод. Отношение количества тепла, отданного потребителю, к энергии, затраченной на его привод, (коэффициент трансформации ТН) тем выше, чем выше температура источника низкопотенциального тепла. В современных системах этот коэффициент составляет 3 и более.

Наибольший интерес из природных источников низкопотенциального тепла представляют незамерзающие водоемы или источники геотермального тепла. Геотермальные флюиды, с температурой не ниже 20-30^о С, имеются на умеренных глубинах во многих регионах страны. Такие флюиды могут играть роль эффективных источников низкопотенциального тепла для ТН. Использование тепла грунта также представляет интерес. Для этого создаются неглубокие скважины (до 100 м), которые служат подземными теплообменниками, по которым циркулирует теплоноситель ТН. В зависимости от типа грунта, наличия подземных вод и других факторов с 1 м длины современного теплообменника можно снять до 300 Вт энергии.

Также экономически выгодно применение комбинированных схем, в которых, например, наряду с использованием ФЭП, работают ТН, вырабатывающие тепло за счет вентиляционного воздуха помещения.

Но, кроме экономии первичной энергии, главнейшим фактором применения ТН является денежная экономия по сравнению с традиционными способами отопления и теплоснабжения городских объектов. Экономическая выгодность ТН в первую очередь зависит от его стоимости, которая на данный момент высока. С увеличением масштабов производства будет уменьшаться и стоимость ТН. На сегодняшний день в России производятся преимущественно компрессионные ТН тепловой мощностью от 10 кВт до 5 МВт. Оснащенность и производственная мощность существующей машиностроительной базы по выпуску ТН средней и большой мощности может считаться достаточной при малом масштабе производства, но она недостаточна для удовлетворения рынка ТН со средней тепловой мощностью 20 кВт. Для этого нам необходимо выпускать до 10000 агрегатов в год. Чтобы достичь таких результатов, на надо существенно расширить производственную базу. Особенно в сфере производства компрессоров для тепловых насосов, так как на данный момент они в большинстве своем приобретаются за рубежом. [11]

4. Политика России в области альтернативных источников энергии

Положительным фактором для развития АИЭ в России является создание законодательной базы. Так, федеральным законом РФ от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" установлена правовая основа применения электрогенерирующих установок на АИЭ, состоящая в праве независимых производителей этой электроэнергии на подсоединение к сетям энергоснабжающих организаций. Государственной Думой и Советом Федерации принят Закон "О государственной политике в сфере использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии". Этот правовой акт устанавливает минимально допустимые в современных условиях экономические и организационные основы развития. Ведется разработка федеральной программы по использованию АИЭ. Правительством России в 2003г. принята "Энергетическая стратегия России на период до 2020 г.". (Российская Газета от 07.10.2003г.). Одним из направлений данного документа является рассмотрение возможностей использования возобновляемых источников энергии.

Стратегическими целями использования возобновляемых источников энергии и местных видов топлива являются:

1. сокращение потребления невозобновляемых топливно-энергетических ресурсов;

2. снижение экологической нагрузки от деятельности топливно-энергетического комплекса;

3. обеспечение децентрализованных потребителей и регионов с дальним и сезонным завозом топлива;

4. снижение расходов на дальнепривозное топливо.

При проведении региональной энергетической политики важное значение имеет оптимальное использование возобновляемых источников энергии и местных видов топлива.

Необходимость использования указанных видов энергии определяется их существенной ролью при решении следующих проблем:

1. обеспечение устойчивого тепло - и электроснабжения населения и производства в зонах децентрализованного энергоснабжения, в первую очередь в районах Крайнего Севера и приравненных к ним территориях. Объем завоза топлива в эти районы составляет около 7 млн. т нефтепродуктов и свыше 23 млн. т угля;

2. обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения и производства в зонах централизованного энергоснабжения, испытывающих дефицит энергии, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений;

3. снижение вредных выбросов от энергетических установок в городах и населенных пунктах со сложной экологической обстановкой, а также в местах массового отдыха населения. [8]

Неистощаемость и экологическая чистота этих ресурсов обусловливают необходимость их интенсивного использования.

Для преодоления отставания России в использовании возобновляемых источников энергии, сохранения запасов истощаемого органического топлива для будущих поколений, существенного улучшения энергоснабжения удаленных от электросетей населенных пунктов, а также улучшения экологической обстановки в экологически напряженных районах необходимо разработать и принять федеральный закон "О возобновляемых источниках энергии" и соответствующий акт Правительства Российской Федерации. [8]

5. Заключение

Несмотря на внешнюю привлекательность АИЭ, иногда называемых "малой энергетикой", у них есть ряд недостатков. Само это второе название говорит, прежде всего, о том, что с их помощью пока, на современном уровне развития техники и экономики, невозможно получить так же много электроэнергии, как с помощью тепловой, гидро - или атомной энергетики. Но, возможно, этот недостаток преодолим в ближайшие десятилетия.