Условия для геотермальной энергетики. Тепло Земли. Геотермальная энергия. Недостатки геотермальных установок

Географические факторы развития возобновляемой энергетики

Вероятно, ответ на вопрос, в каких странах энергетика на возобновляемых источниках развита лучше, будет: «В технически и экономически передовых — Северной Америке, Западной Европе, Японии, Австралии». Но это лишь отчасти так. Есть и другие закономерности развития возобновляемой энергетики, в том числе связанные с географическим положением и природными условиями. Это естественно, учитывая зависимость ВИЭ от природных факторов, таких как количество поступающей на Землю солнечной энергии, сила ветров, продуктивность биосферы, наличие геотермальных источников, речной сток в единицу времени.

Структура мирового производства электроэнергии на ВИЭ

Рассмотрим это на примере производства электроэнергии. Общие объёмы и структура мирового производства электроэнергии по источникам представлена в табл. 1. Рассмотрим ведущих мировых производителей электроэнергии на возобновляемых источниках в абсолютном выражении (табл. 2). Детализация по регионам мира и ведущим производителям электроэнергии рисует сложную картину, местами прямо противоположную представлениям о лидерстве западных стран.

Из табл. 2 мы видим, что наиболее высока доля ВИЭ в энергобалансе (более 56 %) в странах Центральной и Южной Америки. При этом доля данного региона в мировом производстве электроэнергии на ВИЭ составляет 17,4 % (820 из 4715 млрд кВт·ч), что существенно выше его доли в мировом производстве электроэнергии в целом, составляющей 6,8 % (1456 млрд из 21,532 трлн кВт·ч).

Далее, высокая доля ВИЭ (50,6 %) характерна для африканских стран, не входящих в число ведущих производителей на континенте. При этом в ряде стран континента (Конго, Эфиопия, Замбия, Мозамбик) она достигает практически 100 %.

Наиболее высока доля возобновляемых источников энергии в энергобалансе (более 56%) в странах Центральной и Южной Америки. При этом доля данного региона в мировом производстве электроэнергии на возобновляемых источниках энергии составляет 17,4 %

На страны Азии вне Ближнего Востока приходится, прежде всего, наибольший абсолютный объём производства возобновляемой электроэнергии — 1502 млрд кВт·ч или 31,9 % мирового. Примерно 2/3 этого объёма или более 1000 млрд кВт·ч приходится на Китай.

Если говорить о доле ВИЭ в энергобалансе, то он несколько ниже среднего мирового уровня (17,7 % против 21,9 %), но за счёт Японии, Южной Кореи и Тайваня. Напротив, максимальная доля ВИЭ в данном регионе принадлежит Вьетнаму (44,9 %), Пакистану (31,9 %), Филиппинам (29,6 %), а также остальным, сравнительно небольшим азиатским странам-производителям электроэнергии. Доля ВИЭ в их электроэнергетическом балансе составляет в среднем 24 %, а в ряде случаев превышает 70 % (Афганистан, Мьянма, Северная Корея) или даже 90 % (Бутан, Лаос, Непал).

Среди стран «третьего мира» также выделяется Папуа — Новая Гвинея, где доля ВИЭ составляет 32,8 %.

Доля возобновляемых источников энергии в Европе (29,1 %) существенно превосходит среднюю мировую, в то же время в Северной Америке она ниже (19,4 %), при этом в отдельно взятых США — всего 12,4 %, а в Японии и Австралии (12,7 и 10,1 %, соответственно) существенно ниже, чем в мире в среднем, и заметно ниже, чем в России (16,6 %).

Таким образом, исходя из данных цифр, приходится говорить не о лидерстве, а о среднем уровне развития возобновляемой энергетики в группе стран, считающихся экономически наиболее развитыми, в то время как лидерство принадлежит Центральной и Южной Америке и ряду стран Азии и Африки.

При этом доля ВИЭ в энергобалансе резко различается и внутри группы развитых стран — от 21-24 % в Германии и Испании и даже 50-100 % в ряде менее крупных стран (Норвегии, Исландии, Новой Зеландии, Дании) до 10-14 % (существенно ниже средних мировых показателей) в Австралии, Японии, США, Нидерландах, Бельгии.

Россия, о которой речь пойдёт более подробно в следующих материалах, также по доле ВИЭ в электроэнергетике занимает среднее положение в мире, уступая в среднем Европе, но превосходя США, Японию и Австралию.

География мировой гидроэлектроэнергетики

Данный эффект определяется учётом гидроэлектроэнергии, на которую приходится 77 % производства всей электроэнергии на основе ВИЭ.

Размещение же ГЭС подчинено, прежде всего, наличию гидроэнергетических ресурсов. Мы можем выделить несколько регионов, где они наиболее велики благодаря сочетанию геоморфологических и климатических условий, обеспечивающих полноводность и достаточно большие уклоны рек, и где производится в настоящее время основная часть гидроэлектроэнергии мира.

Как правило, это предгорные районы:

1. Территории Центральной и Южной Америки, прилегающие к Андам, Гвианскому и Бразильскому плоскогорьям в бассейнах Амазонки, Ориноко, Параны и других полноводных рек — там производится более 700 млрд кВт·ч в год или более 20 % мирового производства электроэнергии.

2. Центральная и Южная Африка в бассейнах Нила, Конго, Замбези и Лимпопо, также берущих начало в горных районах, связанных с Восточно-Африканским рифтом (Эфиопское нагорье, ВосточноАфриканское плоскогорье, Рувензори) — около 100 млрд кВт·ч или 3 % мирового.

3. Территории Южной и Восточной Азии, связанные с горными системами Памира, Тибета и Гималаев и бассейнами рек Инда, Ганга, Брахмапутры, Иравади, Янцзы, Меконга — более 1000 млрд кВт·ч или 30 % мирового.

4. Центральная и северная части Северной Америки (юго-западные, южные и юго-восточные районы Канады и северные районы США), прилегающие к Кордильерам и Лаврентийской возвышенности в бассейнах рек Колумбия, Миссури, Черчилл, Святого Лаврентия — около 500 млрд кВт·ч или 15 % мирового.

5. Скандинавский полуостров (Норвегия, Швеция и, в несколько меньшей степени, Финляндия), склоны и отроги Скандинавских гор, бассейны рек Гломма, Вефсна, Намсен, Лулеэльв, Умеэльв, Оунасйоки, Кемийоки и др. — более 230 млрд кВт·ч, что составляет 7 % мирового и 43 % европейского производства электроэнергии.

РФ относится к числу ведущих мировых производителей электроэнергии на ГЭС. На нашу страну приходится более 5 % мирового производства. По выработке гидроэлектроэнергии РФ занимает пятое место в мире

Таким образом, на этих пяти массивах, занимающих примерно 25-30 % площади земной суши, вырабатывается около 75 % мировой гидроэлектроэнергии. При этом гидроэнергетический потенциал Латинской Америки, Азии и, тем более, Африки остаётся в значительной степени неосвоенным.

Фактор общего экономического развития в объёмах производства гидроэлектроэнергии играет свою роль. Однако доля развитых стран (упомянутой выше «триады» Северная Америка, Европа,

Япония) ниже их доли в общем производстве электроэнергии в мире, и этот разрыв имеет тенденцию к некоторому увеличению на фоне общего снижения доли мировых экономических лидеров в производстве электроэнергии (рис. 1).

Можно выделить ещё ряд территории с высоким гидроэнергетическим потенциалом и существенным производством электроэнергии на ГЭС. В Европе это, прежде всего, горные и предгорные южные районы — Пиренеи, Альпы, Апеннины. К числу крупных европейских производителей энергии за счёт ГЭС относятся Швейцария, Австрия, Франция, Италия.

Среди западных стран выделяются также Исландия, где на ГЭС приходится 70 % выработки электроэнергии при 16 % в среднем в Европе и Новая Зеландия, где на ГЭС приходится более 52 % выработки электроэнергии. Это примеры небольших стран с высоким природным и технико-экономическим потенциалом ВИЭ, который они активно используют, обеспечивая себя энергией главным образом из возобновляемых источников. Соответственно, 100 и 72 % выработки электроэнергии в этих странах приходится на ВИЭ в целом. Но, как отмечалось выше, в этом же ряду находятся и далеко не самые богатые и развитые азиатские и африканские страны (рис. 2а).

Крупным производителем гидроэлектроэнергии и обладателем высокого гидроэнергетического потенциала также является Япония, на которую приходится 75 млрд кВт·ч или 2 % мирового производства электрической энергии. В то же время при общих размерах японской экономики и связанных с ней больших объёмах производства электроэнергии доля ГЭС невысока по сравнению с большинством стран со сходными природными условиями.

Что касается России, то значительные ресурсы и объёмы производства электроэнергии связаны также с территориями, соседними со Скандинавией и связанными с Балтийским щитом — Кольским полуостровом и Карелией, Кавказом и горными массивами Южной Сибири и Дальнего Востока. Отметим, что роль каскада ГЭС на Волге снижается — на них в настоящее время приходится около 3 % всей выработки электроэнергии в стране и менее 20 % гидроэлектроэнергии. Одна Саяно-Шушенская ГЭС на Енисее по мощности и потенциальной выработке электроэнергии сопоставима со всем волжским каскадом.

Россия относится к числу ведущих мировых производителей электроэнергии на ГЭС. На нашу страну приходится более 160 млрд кВт·ч в год или 5 % мирового производства. По выработке гидроэлектроэнергии Россия занимает пятое место в мире после Китая (850 млрд), Бразилии (411 млрд), Канады (377 млрд) и США (276 млрд кВт·ч). В то же время гидроэнергетический потенциал России также остаётся освоенным далеко не в полной мере — прежде всего, это относится к территориям к востоку от Урала.

Представление о масштабах недоиспользования потенциала гидроэнергии может дать сопоставление с Канадой — страной, сходной с Российской Федерацией по природным условиям и сопоставимой по территории, где общий объём производства электроэнергии на ГЭС выше в 2,3 раза, а плотность производства (в кВт·ч на 1 км 2 площади страны) — выше в 3,9 раз.

Что же касается стран бывшего СССР, то значительным гидроэнергетическим потенциалом, также далеко не полностью используемым, обладают как государства Южного Кавказа (Грузия, Армения и Азербайджан), так и Средней Азии, прилегающие к Памиру и Тянь-Шаню (Таджикистан, Киргизия, отдельные районы Казахстана и Узбекистана). На гидроэнергетику приходится 95 % всего производства электроэнергии в Таджикистане, 94 % — в Киргизии, более 75 % — в Грузии, 30 % — в Армении, 22 % — в Узбекистане, 8,8 % — в Казахстане, 8,3 % — в Азербайджане.

Добавим, что крупнейшие ГЭС также построены в обозначенных выше регионах мира — в частности, «Три ущелья» и Силоду на реке Янцзы в Китае (22,5 и 13,9 ГВт), Итайпу на реке Парана на границе Парагвая и Бразилии (14 ГВт), Гури на реке Карони в Венесуэле (10,2 ГВт) и др. В этом перечне самая крупная российская ГЭС (Саяно-Шушенская, 6,4 ГВт), занимает примерно 9-10 место. В этих же регионах в настоящее время проектируется и строится ещё ряд крупных и сверхкрупных ГЭС (рис. 2а).

Энергетика на ВИЭ (кроме ГЭС) - закономерности размещения

Если рассматривать ВИЭ без учёта ГЭС, включая только геотермальную, солнечную, ветровую и биологическую энергию, то в данном случае зависимость от уровня экономического развития страны вырисовывается более отчётливо, но природно-географических закономерностей она также не отменяет. Рассмотрим цифры из табл. 2, связанные с объёмами и долями производства электроэнергии на основе ВИЭ, кроме ГЭС, и табл. 3, где даётся разбивка ВИЭ по источникам энергии. В данном случае безусловного лидерства ведущих западных стран также нет. Всего на долю ВИЭ, помимо ГЭС, приходится 5 % мирового производства электроэнергии или 1069 млрд кВт·ч в 2012 году. Выделим регионы и ряд отдельных стран, где доля ВИЭ в энергетике выше среднемировой (табл. 3):

1. На первом месте с 17,3 % оказывается Центральная Америка (Белиз, Гватемала, Гондурас, Никарагуа, Коста-Рика, Панама). Высокая доля ВИЭ достигается почти в равной мере за счёт геотермальной и биоэнергетики. В силу в целом незначительного производства электроэнергии абсолютные величины производства электроэнергии на ВИЭ также невелики — 8 млрд кВт·ч в год или всего 0,8 % мирового объёма. В тоже время в мировом производстве геотермальной энергии доля региона составляет уже 6 % (4 млрд кВт·ч), а в производстве биоэнергии — около 1 % (1 млрд кВт·ч).

2. Второе место принадлежит Европе с 13 % и высокой долей использования как ветровой, так и солнечной энергии, а также биоэнергетике. При этом в Европе максимальный объём производства электроэнергии на ВИЭ в абсолютных величинах — 440 млрд кВт·ч или почти 44 % общемирового.

3. Далее следует группа стран Южной Америки — Бразилия, Чили, Уругвай, где доля ВИЭ составляет от 7,5 до 11 %, прежде всего, за счёт биоэнергетики. В данном случае это 47 млрд кВт·ч или 4,5 % мирового производства, а в биоэнергетике — более 40 млрд кВт·ч или 11 % мирового производства.

4. За ними следуют США с 5,7 % за счёт, прежде всего, ветроэнергетики (3,5 %). В абсолютных единицах они занимают второе место после Европы — 232 млрд кВт·ч в год или 22 % от мирового.

Геотермальная энергетика чётко привязана к определённым геолого-тектоническим условиям. Ветроэнергетика в наибольшей степени развита на атлантическом побережье. Развитая солнечная энергетика характерна для юга Европы и Средиземноморских стран

Кроме того, выделяется ряд отдельных стран и групп стран с высокой долей того или иного возобновляемого источника энергии в энергобалансе:

1. Группа островов Карибского моря (Аруба, Гваделупа, Ямайка) с долей ВИЭ 5,6-9,1 % (в случае Арубы за счёт ветроэнергии, на Гваделупе за счёт геотермальной энергии, на Ямайке за счёт ветроэнергии и биоэнергии примерно равны).

2. Фолклендские острова с 16,7 % за счёт ветровой энергии.

3. Кения в Африке с 23,8 %, прежде всего, за счёт геотермальной энергии, а также за счёт биоэнергии.

4. Группа восточноафриканских островных и континентальных стран — Маврикий, Реюньон, Судан (с Южным Суданом) с долей ВИЭ от 5,3 до 19,0 %, прежде всего, за счёт биоэнергии.

5. Группа стран Юго-Восточной Азии и Океании — Индонезия (5,2 %), Филиппины (15,1 %), Папуа — Новая Гвинея (11,9 %), Новая Зеландия (20,6 %), где высокая доля ВИЭ связана главным образом с геотермальными источниками, хотя в Новой Зеландии заметное место занимают и ветроэлектростанции.

Отдельно следует рассмотреть Европу — регион мира с наиболее развитой энергетикой на ВИЭ и, в то же время, неоднородный (табл. 4).

Абсолютные объёмы производства электроэнергии на ВИЭ в странах Европы в высокой степени коррелируют с общим объёмом производства электроэнергии по странам. В частности, первая пятёрка производителей электроэнергии в целом также лидирует в производстве электроэнергии на ВИЭ.

В то же время есть свои пространственные различия. В частности, лидерами (с большими абсолютными объёмами и высокой долей в структуре) производства по видам источников являются: геотермальная (Исландия, Италия), ветровая (Испания, Германия, Великобритания, Италия, Дания, Португалия, Ирландия), солнечная (Германия, Италия, а также Испания) и биоэнергия (Германия, Великобритания, Италия, Швеция, Финляндия, Дания, Польша, Нидерланды).

Геотермальная энергетика чётко привязана к определённым геолого-тектоническим условиям. Ветровая энергетика в наибольшей степени развита на атлантическом побережье. Развитая солнечная энергетика в большей степени характерна для юга Европы и Средиземноморских стран. Биоэнергетика в большей степени развита в Центральной и Северной Европе, что можно связать с развитым сельским и лесным (в Финляндии и Швеции) хозяйством.

Германия, занимающая центральное положение в Европе, отличается равномерно высоким развитием всех типов энергетики на возобновляемых источниках, кроме геотермальной. При этом геотермальная энергетика практически полностью отсутствует где-либо, кроме Исландии и Италии, а солнечная отсутствует в странах Северной Европы.

Кроме того, наиболее высокая доля ВИЭ в энергобалансе характерна для небольших стран — Дания (50,7 %), Португалия (31,7 %), Исландия (29,9 %).

Таким образом, в общей структуре мирового производства электроэнергии на ВИЭ (без учёта ГЭС) на Западную Европу и Северную Америку приходится более 65 % мирового производства, с Японией, Южной Кореей и Австралией — более 70 %, хотя этот показатель вместе с общей долей этих стран в производстве электроэнергии постепенно снижается. Тем не менее, в отличие от гидроэнергии (рис. 1), фактор общего экономического развития страны играет ключевую роль, и доля ведущих стран мира в производстве ветровой, солнечной и биоэнергии выше их доли в общем мировом производстве электрической энергии (рис. 3).

В то же время, мы видим, что существуют и природно-географические факторы, создающие сложную мозаичную картину, приведённую выше. Для её упорядочения привяжем регионы к источникам энергии (табл. 5). Наиболее чётко проявляется привязка к определённым природным условиям у геотермальной энергетики. Основная её часть привязана к Огненному поясу Земли или Тихоокеанскому вулканическому кольцу — окаймляющей Тихий океан зоне разломов повышенной сейсмической и вулканической активности и высокого теплового потока из недр, что создаёт благоприятные условия для развития на этой территории геотермальной энергетики.

В нашем случае это острова Восточной и Юго-Восточной Азии и Океании на западном побережье Тихого океана и Америка (Центральная и западная часть Северной, в частности, запад США) на противоположной его стороне. Сюда же входит Япония, где на данный момент на геотермальную энергетику приходится 3 млрд кВт·ч выработки электроэнергии или 4,4 % мирового объёма. Также сюда входят российские Сахалин, Курильские острова и Камчатка, где геотермальная энергетика хорошо развита в местном масштабе (обеспечивая, в частности, около 40 % энергопотребления Камчатского края), и продолжается строительство новых геотермальных станций.

Три других заметных очага развития геотермальной энергетики отличаются сходными геолого-тектоническими условиями. Это Исландия, где повышенный потенциал геотермальной энергии связан со Срединно-Атлантическим хребтом, Италия, находящаяся в Альпийско-Гималайской зоне высокой тектонической активности, и Кения, где геотермальная энергия привязана к Восточно-Африканскому рифту. К той же зоне, что Италия, относится и Кавказ. Как следствие, до некоторой степени геотермальная энергетика развита в Турции и российской части Кавказа, где геотермальные воды используются, главным образом, для отопления, и также идёт строительство новых мощностей. В свою очередь, перспективы и планы развития геотермальной энергетики существуют не только в Кении, но и других восточноафриканских странах.

Более сложная картина в биоэнергетике, где уровень развития определяется комбинацией высокой естественной продуктивности биосферы, развитого сельского хозяйства и, в ряде случаев, лесопромышленного комплекса и общим уровнем технико-экономического развития страны. Ведущие позиции в биоэнергетике занимают Европа (прежде всего Северная и Центральная) и Северная Америка (прежде всего, США), Центральная и Южная Америка и восточноазиатский кластер, включающий Китай и Японию.

Более сложная картина в биоэнергетике, где уровень развития определяется комбинацией высокой естественной продуктивности биосферы, развитого сельского хозяйства, лесопромышленного комплекса и общим уровнем технико-экономического развития страны

Европу и Северную Америку можно объединить в Северный пояс развития биоэнергетики. Сюда же включается и территория России — прежде всего северо-западные районы, а в последние годы также юг Сибири и Дальнего Востока. Биоэнергия в данный момент не играет какой-либо роли в производстве электроэнергии в нашей стране. Однако Российская Федерация является одним из ведущих мировых производителей (наряду с Канадой, США и скандинавскими странами) древесных пеллет на базе развитого лесопромышленного комплекса, основная часть которых в настоящее время идёт на экспорт в страны Западной Европы, а в последнее время также и Восточной Азии .

В то же время при улучшении внутренней конъюнктуры возможно и развитие внутреннего рынка с существенным ростом доли биоэнергии в энергетическом балансе России.

В Центральной и Южной Америке выделяется, прежде всего, Бразилия. Благодаря комбинации высокой доли гидроэлектроэнергии (см. выше) и биоэнергии Бразилия отличается наиболее высокой (около 85 %) долей ВИЭ в электроэнергетическом балансе среди крупных мировых производителей электроэнергии.

Восточная Азия (Китая и Япония) на данный момент объединяет преимущества западных (развитая экономика) и латиноамериканских (благоприятные естественные предпосылки) стран в биоэнергетике, и, вероятно, в регионе следует ожидать дальнейшего роста данного сегмента.

Свои перспективы развития биоэнергетики имеет и Африка, как мы видим на примере некоторых стран континента (табл. 3), но, вероятно, в силу общего экономического и политического неблагополучия региона, масштабное развитие следует считать делом сравнительно отдалённого будущего.

Развитие ветроэнергетики в ещё большей степени определяется общим экономическим лидерством страны или региона. В то же время наблюдается определённая неравномерность внутри группы развитых стран. Ветроэнергетические мощности, например, Европы концентрируются, прежде всего, в странах атлантического побережья, в зонах стабильных и сильных ветров. В дополнение к этому обозначается очаг развития ветроэнергетики на Антильских островах (табл. 3) и других островных территориях (Фолклендские острова), что имеет те же естественные предпосылки.

В целом, наиболее перспективно использование ветроэнергии в прибрежных зонах, которые не ограничены Северной Атлантикой, а также на открытых континентальных пространствах (в частности, в степях).

Что касается солнечной энергетики, то она, на данный момент, вероятно, в наибольшей степени привязана к общим экономическим и политическим факторам. В 2012 году почти 60 % мирового производства солнечной электроэнергии приходилось на три европейские страны — Германию (27 %), Италию (20 %) и Испанию (13 %). В то же время мы видим, что внутри группы развитых стран производство солнечной энергии смещено в зоны с более высокой солнечной энергией (в Средиземноморье) и практически отсутствует в Северной Европе. Дальнейшее развитие солнечной энергетики, в частности, в Средиземноморском бассейне, вероятно, следует считать делом сравнительно близкого будущего. В условный средиземноморский пояс можно включить и юг европейской части России; более того, большая часть проектов солнечной энергетики и имеющихся мощностей в нашей стране сосредоточена именно там (Республика Крым, Краснодарский край, Ставропольский край и сопредельные территории).

С географических позиций можно выделить следующие частично перекрывающиеся крупные мировые зоны или пояса развития различных типов возобновляемой энергетики, помимо гидроэнергетики (рис. 2б):

1. Тихоокеанский геотермальный (связанный с Тихоокеанским огненным кольцом Земли).

2. Три биоэнергетических — Северный, Центрально-Южноамериканский и Восточноазиатский.

3. Североатлантический ветровой.

4. Средиземноморский солнечный.

Следует сделать оговорку — в наибольшей степени природные физикогеографические и геологические факторы действуют в отношении гидроэнергетики, геотермальной и биоэнергетики.

В солнечной и ветроэнергетике — отраслях со сравнительно недавней историей масштабного развития — на первое место выходят факторы общего экономического и технологического развития в сочетании с целенаправленной государственной политикой стимулирования. В то же время географические аспекты в распределении мощностей и производство ветровой и солнечной энергии проявляются уже сейчас и, вероятно, будут усиливаться в дальнейшем.

Потенциально дальнейшее развитие энергетики на основе возобновляемых источников энергии может быть связано как с этими поясами, так и с освоением новых территорий с благоприятными естественными предпосылками. Вероятно, географический фактор развития возобновляемой энергетики будет усиливаться. Это связано как с диффузией технологий из стран технологического Центра («триада» Северная Америка, Европа, Япония) на Полупериферию и Периферию , так и с общими тенденциями развития возобновляемой энергетики, о которых говорилось в одной из предыдущих статей , связанными с ростом прагматизма в отношении развития отрасли.

Дальнейшее развитие энергетики на основе возобновляемых источников энергии может быть связано как с мировыми поясами применения ВИЭ, так и с освоением новых территорий с благоприятными естественными предпосылками. Вероятно, географический фактор развития ВИЭ будет усиливаться. Это связано как с диффузией технологий из стран технологического Центра, так и с общими тенденциями развития идеологии применения возобновляемых источников энергии

С большой вероятностью в силу удачного сочетания природно-ресурсных и экономических предпосылок лидирующее положение в энергетике на основе ВИЭ захватят, как это уже произошло или происходит в целом ряде сфер, страны Восточной и Юго-Восточной Азии. В частности, уже в 2014 году доля Китая в мировом производстве солнечных батарей превысила 60 %, и с этой продукцией Китай доминирует не только на внутреннем, но и на европейском рынке, вытесняя местных производителей. По общему количеству установленных мощностей ветроэлектростанций Китай вышел на первое место в мире, а по темпам роста энергетики на основе ВИЭ также занимает лидирующие позиции.

Что касается России, то наш потенциал развития энергетики на основе ВИЭ, как природный, так и технико-экономический, также использован далеко не в полной мере, и у нас есть свои ниши для развития возобновляемой энергетики по ряду направлений. Об этом подробнее в следующих статьях.

Среди альтернативных источников геотермальная энергия занимает значительное место - ее так или иначе используют примерно в 80 странах по всему миру. В большинстве случаев это происходит на уровне строительства теплиц, бассейнов, применения в качестве лечебного средства или отопления.

В нескольких странах - в том числе США, Исландии, Италии, Японии и других - построены и работают электростанции.

Геотермальная энергия в целом подразделяется на две разновидности - петротермальную и гидротермальную. Первый тип использует как источник горячие горные породы. Второй - подземные воды.

Если свести все данные по теме в одну диаграмму, обнаружится, что в 99% случаев используется тепло пород, и только в 1% геотермальная энергия извлекается из подземных вод.

Петротермальная энергетика

На настоящий момент в мире достаточно широко используется тепло земных недр, причем преимущественно это энергия неглубоких скважин - до 1 км. С целью обеспечения электричеством, теплом или ГВС устанавливаются скважинные теплообменники, работающие на жидкостях с низкой температурой кипения (например, на фреоне).

Сейчас использование скважинного теплообменника является наиболее рациональным способом добычи тепла. Выглядит это так: теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре. Нагретый поднимается по концентрично опущенной трубе, отдавая свое тепло, после чего, охлажденный, при помощи насоса подается в обсадную.

В основе использования энергии земных недр лежит природное явление - по мере приближения к ядру Земли растет температура земной коры и мантии. На уровне 2-3 км от поверхности планеты она достигает более 100 °С, в среднем увеличиваясь с каждым последующим километром на 20 °С. На глубине 100 км температура достигает уже 1300-1500 ºС.

Гидротермальная энергетика

Вода, циркулирующая на больших глубинах, нагревается до значительных величин. В сейсмически активных районах она поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, в спокойных же регионах ее можно вывести с помощью скважин.

Принцип действия тот же: нагретая вода поднимается по скважине вверх, отдает тепло, и возвращается по второй трубе вниз. Цикл практически бесконечен и возобновляем до тех пор, пока в земных недрах остается тепло.

В некоторых сейсмически активных регионах горячие воды лежат так близко к поверхности, что можно воочию наблюдать, как работает геотермальная энергия. Фото окрестностей вулкана Крафла (Исландия) демонстрирует гейзеры, которые передают пар для действующей там ГеоТЭС.

Основные черты геотермальной энергетики

Внимание к альтернативным источникам обусловлено тем, что запасы нефти и газа на планете не бесконечны, и постепенно исчерпываются. Кроме того, они есть не везде, и многие страны зависят от поставок из других регионов. Среди иных важных факторов - негативное влияние ядерной и топливной энергетики на среду обитания человека и дикую природу.

Большое достоинство ГЭ - возобновляемость и универсальность: возможность использовать для водо- и теплоснабжения, или для выработки электроэнергии, или для всех трех целей сразу.

Но главное - это геотермальная энергия, плюсы и минусы которой зависят не столько от местности, сколько от кошелька заказчика.

Достоинства и недостатки ГЭ

В числе преимуществ этого вида энергии следующие:

она возобновляемая и практически неиссякаемая;
независима от времени суток, сезона, погоды;
универсальна - с ее помощью можно обеспечить водо- и теплоснабжение, а также электричество;
геотермальные источники энергии не загрязняют окружающую среду;
не вызывают парникового эффекта ;
станции не занимают много места.

Однако имеются и недостатки:

геотермальная энергия не считается полностью безвредной из-за выбросов пара, в составе которого могут быть сероводород, радон и другие вредные примеси;
при использовании воды с глубоких горизонтов стоит вопрос ее утилизации после использования - из-за химического состава такую воду нужно сливать либо обратно в глубокие слои, либо в океан;
постройка станции относительно дорога - это удорожает и стоимость энергии в итоге.

Сферы применения

На сегодняшний день геотермальные ресурсы используются в сельском хозяйстве, садоводстве, аква- и термокультуре, промышленности, сфере жилищно-коммунальных хозяйств. В нескольких странах построены крупные комплексы, обеспечивающие население электроэнергией. Продолжается разработка новых систем.

Сельское хозяйство и садоводство

Чаще всего использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве сводится к обогреву и поливу оранжерей, теплиц, установок аква- и гидрокультуры. Подобный подход применяется в нескольких государствах - Кении, Израиле, Мексике, Греции, Гватемале и Теде.

Подземные источники применяются для полива полей, обогрева почвы, поддержания постоянной температуры и влажности в оранжерее или теплице.

Промышленность и ЖКХ

В ноябре 2014 года в Кении начала работать крупнейшая на то время геотермальная электростанция мира. Вторая по размерам находится в Исландии - это Хеллишейди, берущая тепло от источников возле вулкана Хенгидль.

Другие страны, использующие геотермальную энергию в промышленных масштабах: США, Филиппины, Россия, Япония, Коста-Рика, Турция, Новая Зеландия и т. д.

Известны четыре основные схемы добывания энергии на ГеоТЭС:

прямая, когда пар направляется по трубам в турбины, соединенные с электрогенераторами;
непрямая, аналогичная предыдущей во всем, за исключением того, что перед попаданием в трубы пар очищается от газов;
бинарная - в качестве рабочего тепла используется не вода или пар, а другая жидкость, имеющая низкую температуру кипения;
смешанная - аналогична прямой, но после конденсации здесь удаляют из воды не растворившиеся газы.

В 2009 году группа исследователей, искавшая пригодные к использованию геотермальные ресурсы, достигла расплавленной магмы всего на глубине 2,1 км. Подобное попадание в магму - большая редкость, это всего второй известный случай (предыдущий произошел на Гавайях в 2007 году).

Хотя соединенная с магмой труба ни разу не подключалась к находящейся неподалеку ГеоТЭС Крафла, ученые получили весьма многообещающие результаты. До сих пор все работающие станции брали тепло опосредованно, из земных пород либо из подземных вод.

Частный сектор

Одна из наиболее перспективных сфер - частный сектор, для которого геотермальная энергия - это реальная альтернатива автономного газового отопления. Самая серьезная преграда здесь - при довольно дешевой эксплуатации высокая начальная стоимость оборудования, которая значительно выше, чем цена установки «традиционного» отопления.

Свои разработки для частного сектора предлагают компании MuoviTech, Geodynamics Ltd, Vaillant, Viessmann, Nibe.

Страны, использующие тепло планеты

Безусловным лидером в использовании георесурсов является США - в 2012 году выработка энергии в этой стране достигла отметки 16.792 миллиона мегаватт-часов. В том же году, суммарная мощность всех геотермальных станций на территории Штатов достигала 3386 МВт.

ГеоТЭС на территории США расположены в штатах Калифорния, Невада, Юта, Гавайи, Орегон, Айдахо, Нью-Мехико, Аляска и Вайоминг. Самая крупная группа заводов носит название «Гейзеры» и расположена неподалеку от Сан-Франциско.

Кроме Соединенных Штатов, в первой десятке лидеров (по состоянию на 2013 год) также находятся Филиппины, Индонезия, Италия, Новая Зеландия, Мексика, Исландия, Япония, Кения и Турция. При этом в Исландии геотермальные источники энергии обеспечивают 30% от всей потребности страны, на Филиппинах - 27%, а в США - меньше 1%.

Потенциальные ресурсы

Работающие станции - только начало, отрасль лишь начинает развиваться. Исследования в этом направлении идут постоянно: более чем в 70 странах ведется разведка потенциальных месторождений, в 60 освоено промышленное использование ГЭ.

Перспективными выглядят сейсмически активные районы (как это видно на примере Исландии) - штат Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, страны Центральной Америки, Филиппины, Исландия, Коста-Рика, Турция, Кения. Эти страны имеют потенциально выгодные не исследованные месторождения.

В России это Ставропольский край и Дагестан, остров Сахалин и Курильские о-ва, Камчатка. В Беларуси определенный потенциал есть на юге страны, охватывая города Светлогорск, Гомель, Речица, Калинковичи и Октябрьский.

На Украине перспективными являются Закарпатская, Николаевская, Одесская и Херсонская области.

Достаточно перспективным является полуостров Крым, тем более что большая часть потребляемой им энергии импортируется извне.

Своим возникновением отрасль геотермальной энергетики обязана такому природному явлению, как повышение температуры подземной породы пропорционально глубине. На каждые 36 метров вглубь температура увеличивается в среднем на 1 °C. Доступ к нагретым подземным водам можно получить не только при помощи скважин - часть горячих источников представляют собой естественные гейзеры. Теплоноситель используется не только для отопительных нужд, но и для производства электроэнергии с помощью геотермальных станций, превращающих пар в электричество.

Кроме того, практикуется использование и горячих пород, в которых отсутствуют подземные воды. В данном случае энергетики закачивают воду в подземные горизонты с её дальнейшим отбором уже в нагретом состоянии. Высокие «сухие» горизонты, температура которых, впрочем, не достигает градуса кипения воды, есть и на большом количестве территорий, где вулканическая активность вообще отсутствует, что придаёт геотермам статус перспективных источников энергии, вне зависимости от места их географического расположения.

Энергия горячих источников: факторы распространения

Наиболее широкое распространение геотермальная энергетика получила в двух типах регионов. В первую очередь она развивается там, где в силу природных условий существует большое количество доступных горячих источников. Кроме того, геотермы используются там, где наблюдается дефицит горючих полезных ископаемых или же доставка энергоресурсов осложняется труднодоступностью района. В ряде стран тепло или электроэнергия, добытые с помощью геотермальных станций, покрывают существенную долю энергетических затрат.

По такой технологии получают порядка трети электроэнергии потребители американского Сан-Франциско. В Польше насчитывается уже четыре геотермальные станции, одна из которых обеспечивает потребности курортного города Закопане. Горячее водоснабжение в литовской Клайпеде осуществляется полностью за счёт работы геотермальной станции. В девяностых годах суммарная мощность геотермальных станций мира оценивалась в 5 ГВт, к двухтысячным она перевалила за 6 ГВт. Ряд оценок позволяет сделать вывод о том, что сейчас выработка геотермальной энергии превышает 10 ГВт.

Ситуация на родине геотермальной энергетики

Сама природа распорядилась так, что передовой страной в сфере использования геотермальных источников стала Исландия. В этой стране на относительно небольшой глубине температуры воды достаточно для производства энергии, что стало возможным благодаря высокой вулканической активности. В регионе насчитывается около сотни вулканов, а сам остров находится на стыке литосферных плит.

Каждые девять из десяти домов в стране отапливаются горячей водой из-под земли. Столица Исландии - Рейкьявик - с 1943 года полностью перешла на геотермальное отопление, при этом осуществляется теплоснабжение не только жилого сектора, но и промышленных предприятий. Государство практически полностью отказалось от традиционных энергоресурсов, 25% потребностей удовлетворяется при помощи геотермальных источников, 70% обеспечивают гидроэлектростанции.

Лидирующие позиции в отрасли дают Исландии возможность не только быть энергетически самодостаточной страной, но и даже экспортировать энергию, выработанную геотермальными станциями. В последние годы обсуждается проект организации поставок электроэнергии, выработанной на исландских ГеоТЭС, в Великобританию. Британцы, в свою очередь, готовы проложить морской кабель протяжённостью 750 миль. Бюджет проекта оценивается в миллиарды фунтов стерлингов. По расчётам Лондона, реализация проекта даст возможность обеспечить пятую часть потребностей страны в электроэнергии.

Экологические и технические проблемы отрасли

Развитие геотермальной энергетики существенно тормозится целым рядом проблем, присущих данной отрасли. В числе самых серьёзных препятствий - необходимость сложного процесса обратной закачки в водоносные горизонты отработанного теплоносителя (воды), содержащего токсичные вещества - мышьяк, кадмий, цинк, свинец, бор. Это исключает возможность сброса такой воды в поверхностные слои. Кроме того, остро стоит проблема выброса сероводорода в атмосферу.

У геотермальных станций, помимо всего прочего, в отличие от ТЭС и даже ГЭС, существует строгая привязка места строительства к определённым участкам в зависимости от геологии. Зачастую (разве что, кроме Исландии), такие места находятся в труднодоступных районах, гористой местности. Не следует сбрасывать со счетов и высокую минерализацию подземных вод, что со временем приводит к закупорке скважин.

Нужно принимать во внимание и главный фактор развития, свойственный любой отрасли - спрос на рынке. В OPEC подсчитали, что, несмотря на общий рост спроса на возобновляемые энергоресурсы, в том числе и геотермальные, на 7,6% в год, к 2040 году доля таких источников в производстве энергии будет составлять всего лишь 4,3%, уступая традиционным способам генерации. Сейчас доля альтернативной энергетики составляет всего 0,9% на мировом рынке.

Международное признание и прогнозы на будущее

Впрочем, на международном уровне геотермальная энергетика считается достаточно перспективным направлением. Нацеленность на развитие данного сегмента подтверждается решением недавно прошедшего Климатического саммита в Париже. Представители 38 стран проголосовали за наращивание выработки геотермальной энергии на 500%. Инициатива принятия такого решения принадлежит Международному агентству по возобновляемым источникам энергии (IRENA). Ожидается, что развитие отрасли даст возможность сдержать неблагоприятные изменения климата.

В резолюции саммита указано, что данный вид энергии остаётся одним из самых дешёвых, однако степень развития отрасли крайне недостаточна. Потенциал для развития в этой сфере имеют около 90 государств. Члены саммита признали, что основным препятствием реализации геотермальных проектов является вовсе не экология, а необходимость значительных инвестиций в бурильные работы. В то же время, продажи электроэнергии можно осуществлять по мере разработки источников, не дожидаясь полной реализации проектов.

Применение геотермальных источников может частично решить проблему голода в неблагополучных регионах. Пронедра ранее писали, что в ООН считают - внедрение геотермальной энергетики даст возможность снизить дефицит продовольствия в ряде развивающихся стран, где попросту отсутствует электроэнергия для обеспечения хранения продуктов питания, и, как результат - создать условия для накопления продовольственных резервов.

Вероятно, с учётом целенаправленной международной энергетической политики в этом направлении, будут внедряться дешёвые и эффективные способы, направленные на преодоление рисков загрязнения подземных горизонтов и устранение технических проблем, неизбежно сопровождающих геотермальную энергетику. Если основные препятствия на пути развития геотермального сегмента исчезнут, отрасль однозначно начнёт переживать динамичный рост и со временем станет весомым энергетическим источником для многих стран мира.

Ресурсы нашей планеты не бесконечны. Используя в качестве главного источника энергии природные углеводороды, человечество рискует в один прекрасный момент обнаружить, что они исчерпаны, и прийти к глобальному кризису потребления привычных благ. XX век стал временем масштабных сдвигов в области энергетики. Ученые и экономисты в разных странах всерьез задумались о новых способах получения и возобновляемых источниках электричества и тепла. Наибольший прогресс был достигнут в области ядерных исследований, но появились интересные идеи, касающиеся полезного использования других природных явлений. Ученые давно узнали, что планета наша внутри горяча. Для получения пользы от глубинного тепла созданы геотермальные электростанции. В мире пока их немного, но, возможно, со временем станет больше. Каковы их перспективы, не опасны ли они и можно ли рассчитывать на высокую долю ГТЭС в общем объеме добываемой энергии?

Первые шаги

В дерзновенных поисках новых источников энергии ученые рассматривали множество вариантов. Изучались возможности освоения энергии приливов и отливов Мирового океана, преобразования солнечного света. Вспомнили и о старинных ветряных мельницах, снабдив их вместо каменных жерновов генераторами. Большой интерес представляют и геотермальные электростанции, способные вырабатывать энергию из тепла нижних раскаленных слоев земной коры.

В середине шестидесятых годов СССР не испытывал ресурсного дефицита, но энерговооруженность народного хозяйства, тем не менее, оставляла желать лучшего. Причина отставания от промышленно развитых стран в этой области состояла не в недостатке угля, нефти или мазута. Огромные расстояния от Бреста до Сахалина затрудняли доставку энергии, она становилась очень дорогой. Советские ученые и инженеры предлагали самые смелые решения этой задачи, и некоторые из них воплощались в жизнь.

В 1966 году на Камчатке заработала Паужетская геотермальная электростанция. Ее мощность составила довольно скромную цифру в 5 мегаватт, но этого вполне хватало для снабжения близлежащих населенных пунктов (поселков Озерновского, Шумного, Паужетки, сел Усть-Большерецкого р-на) и промышленных предприятий, главным образом рыбоконсервных заводов. Станция была экспериментальной, и сегодня можно смело утверждать, что опыт удался. В качестве источников тепла используются вулканы Камбальный и Кошелев. Преобразование осуществляли две установки турбогенераторного типа, первоначально по 2,5 МВт. Через четверть века установленную мощность удалось поднять до 11 МВт. Старое оборудование полностью исчерпало свой ресурс только в 2009 году, после чего была произведена полная реконструкция, включавшая и прокладку дополнительных трубопроводов теплоносителя. Опыт успешной эксплуатации побудил энергетиков строить и другие геотермальные электростанции. В России их сегодня пять.

Как работает

Исходные данные: в глубине земной коры есть тепло. Его нужно преобразовать в энергию, например, электрическую. Как это сделать? Принцип работы геотермальной электростанции достаточно прост. Под землю закачивается вода через специальную скважину, называемую входной или нагнетающей (по-английски injection, то есть "впрыск"). Для того чтобы определить подходящую глубину, требуется геологическое исследование. Вблизи нагретых магмой слоев, в конечном счете, должен образоваться подземный проточный бассейн, играющий роль теплообменника. Вода сильно нагревается и превращается в пар, который через другую скважину, (рабочую или эксплуатационную) подается на лопасти турбины, сопряженной с осью генератора. На первый взгляд, все выглядит очень просто, но на практике геотермальные электростанции устроены куда сложнее и имеют различные особенности конструкции, обусловленные эксплуатационными проблемами.

Достоинства геотермальной энергетики

Этот способ получения энергии имеет неоспоримые плюсы. Во-первых, геотермальные электростанции не требуют топлива, запасы которого лимитированы. Во-вторых, эксплуатационные расходы сведены к издержкам на технически регламентированные работы по плановой замене комплектующих изделий и обслуживанию технологического процесса. Срок окупаемости вложений составляет несколько лет. В-третьих, такие станции условно можно считать экологически чистыми. Есть, правда, в этом пункте и острые моменты, но о них позже. В-четвертых, дополнительной энергии для технологических нужд не требуется, насосы и другие приемники энергии запитываются от добываемых ресурсов. В-пятых, установка, помимо работы по прямому назначению, может производить опреснение воды Мирового океана, на берегу которого обычно строятся геотермальные электростанции. Плюсы и минусы присутствуют, однако, и в этом случае.

Недостатки

На фотографиях все выглядит просто чудесно. Корпуса и установки эстетичны, над ними не поднимаются клубы черного дыма, только белый пар. Однако не все так прекрасно, как кажется. Если геотермальные электростанции расположены поблизости населенных пунктов, жителям окрестностей досаждает производимый предприятиями шум. Но это лишь видимая (вернее, слышимая) часть проблемы. При бурении глубоких скважин никогда нельзя предвидеть, что именно из них пойдет. Это может быть токсичный газ, минеральные воды (не всегда лечебные) или даже нефть. Разумеется, если геологи наткнутся на пласт полезных ископаемых, то это даже хорошо, но такое открытие вполне может полностью изменить привычный уклад жизни местных жителей, поэтому разрешение на проведение даже исследовательских работ региональные власти дают крайне неохотно. Вообще выбрать место для ГТЭС довольно сложно, ведь в результате ее эксплуатации вполне может возникнуть провал грунта. Условия внутри земной коры меняются, и если источник тепла утратит со временем свой тепловой потенциал, затраты на строительство окажутся напрасными.

Как выбрать место

Несмотря на многочисленные риски, в разных странах строят геотермальные электростанции. Преимущества и недостатки есть у любого способа получения энергии. Вопрос состоит в том, насколько доступны иные ресурсы. В конце концов, энергетическая независимость является одной из основ государственного суверенитета. Страна может не обладать запасами полезных ископаемых, но иметь множество вулканов, как Исландия, например.

Следует учитывать, что наличие геологически активных зон - непременное условие для развития геотермальной отрасли энергетики. Но при принятии решения о строительстве подобного объекта необходимо брать в расчет и вопросы безопасности, поэтому, как правило, в густонаселенных районах геотермальные электростанции не возводят.

Следующий важный момент - наличие условий для охлаждения рабочей жидкости (воды). В качестве места для ГТЭС вполне подойдет океанское или морское побережье.

Камчатка

Россия богата всеми видами природных ресурсов, но это не означает, что в бережном отношении к ним нет нужды. Геотермальные электростанции в России строят, причем в последние десятилетия все более активно. Они частично обеспечивают потребность энергообеспечения отдаленных районов Камчатки и Курил. Помимо уже упомянутой Паужетской ГТЭС, на Камчатке в эксплуатацию введена 12-мегаваттная Верхне-Мутновская ГТЭС (1999). Намного мощней ее Мутновская геотермальная электростанция (80 МВт), расположенная возле того же вулкана. Вместе они обеспечивают более трети объема энергии, потребляемой регионом.

Курилы

Сахалинская область также пригодна для строительства геотермальных энергопроизводящих предприятий. Здесь их два: Менделеевская и Океанская ГТЭС.

Менделеевская ГТЭС предназначена для решения проблемы энергоснабжения острова Кунашир, на котором расположен поселок городского типа Южно-Курильск. Название свое станция получила не в честь великого русского химика: так называется островной вулкан. Строительство началось в 1993-м, через девять лет предприятие введено в строй. Первоначально мощность составляла 1,8 МВт, но после модернизации и запуска следующих двух очередей достигла пяти.

На Курилах, на острове Итуруп, в том же 1993 году была заложена еще одна ГТЭС, получившая название «Океанская». Заработала она в 2006-м, через год вышла на проектную мощность в 2,5 МВт.

Мировой опыт

Русские ученые и инженеры стали пионерами во многих отраслях прикладной науки, но геотермальные электростанции изобрели все же за рубежом. Первая в мире ГТЭС (250 кВт) была итальянской, начала свою работу в 1904 году, ее турбина вращалась паром, выходящим из природного источника. До этого подобные явления использовались только в лечебно-курортных целях.

В настоящее время позиции России в области использования геотермального тепла также нельзя назвать передовыми: ничтожный процент вырабатываемого в стране электричества приходится на пять станций. Самое большое значение эти альтернативные источники имеют для экономики Филиппин: на них приходится один киловатт из каждых пяти, производимых в республике. Продвинулись вперед и другие страны, в числе которых Мексика, Индонезия и США.

На просторах СНГ

На уровень развития геотермальной энергетики влияет в большей степени не технологическая «продвинутость» той или иной страны, а осознание ее руководством насущной необходимости в альтернативных источниках. Есть, конечно, и «ноу-хау», касающиеся способов борьбы с накипью в теплообменниках, способов управления генераторами и прочей электрической частью системы, но вся эта методология специалистам давно известна. Большую заинтересованность в строительстве ГеоТЭС в последние годы проявляют многие постсоветские республики. В Таджикистане изучают районы, являющие собой геотермальное богатство страны, идет строительство 25-мегаваттной станции «Джермахпюр» в Армении (Сюникская область), соответствующие исследования ведутся в Казахстане. Горячие источники Брестской области стали предметом интереса белорусских геологов: они начали пробные бурения двухкилометровой скважины Вычулковская. В общем, за геоэнергетикой, скорее всего, есть будущее.

Впрочем, и с теплом Земли обращаться нужно бережно. Ограничен и этот природный ресурс.

ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Скотарев Иван Николаевич

студент 2 курса, кафедра физики СтГАУ, г. Ставрополь

Хащенко Андрей Александрович

научный руководитель, кан. физ.-мат. наук, доцент СтГАУ, г. Ставрополь

Сейчас человечество не сильно задумывается, что оно оставит будущим поколениям. Люди бездумно выкачивают и выкапывают полезные ископаемые. С каждым годом растёт население планеты, а следовательно увеличивается и потребность в ещё в большем количестве энергоносителей таких как газ, нефть и уголь. Продолжаться это долго не может. Поэтому сейчас помимо развития атомной промышленности становится актуальным использование альтернативных источников энергии. Одним из перспективных направлений в этой области является геотермальная энергетика.

Большая часть поверхности нашей планеты обладает значительными запасами геотермальной энергии вследствие значительной геологической деятельности: активной вулканической деятельности в начальные периоды развития нашей планеты а также и по сей день, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре. В некоторых местах нашей планеты скапливается особенно много геотермальной энергии. Это, например, различные долины гейзеров, вулканы, подземные скопления магмы, которые в свою очередь нагревают верхние породы.

Говоря простым языком геотермальная энергия - это энергия внутренних областей Земли. Например извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромной температуре внутри планеты. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра до поверхности Земли (рисунок 1 ).

Рисунок 1. Температура в различных слоях земли

Геотермальная энергия всегда привлекала людей возможностями своего полезного применения. Ведь человек в процессе своего развития придумывал множество полезных технологий и во всём искал выгоду и прибыль. Так и произошло с углём, нефтью, газом, торфом и т. д.

Например, в некоторых географических районах использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии, потому что в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии . Сама природа дает человеку в руки уникальный источник энергетики, необходимо только его использовать.

Всего сейчас насчитывается 5 типов источников геотермальной энергии:

1. Месторождения геотермального сухого пара.

2. Источники влажного пара. (смеси горячей воды и пара).

3. Месторождения геотермальной воды (содержат горячую воду или пар и воду).

4. Сухие горячие скальные породы, разогретые магмой.

5. Магма (расплавленные горные породы нагретые до 1300 °С).

Магма передает свое тепло горным породам, причем с ростом глубины их температура повышается. По имеющимся данным, температура горных пород повышается в среднем на 1 °С на каждые 33 м глубины (геотермическая ступень). В мире имеется большое разнообразие температурных условий геотермальных источников энергии, которые будут определять технические средства для ее использования .

Геотермальная энергия может быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева различных объектов. Геотермальное тепло можно преобразовывать в электричество, если температура теплоносителя достигает более 150 °С. Как раз использование внутренних областей Земли для отопления является наиболее выгодным и эффективным а так же очень доступным. Прямое геотермальное тепло в зависимости от температуры может использоваться для отопления зданий, теплиц, бассейнов, сушки сельскохозяйственных и рыбопродуктов, выпаривания растворов, выращивания рыбы, грибов и т. д. .

Все существующие на сегодняшний день геотермальные установки делятся на три типа:

1. станции, основой для работы которых являются месторождения сухого пара - это прямая схема.

Электростанции на сухом пару появились раньше всех. Для того чтобы получить требующуюся энергию пар пропускается через турбину или генератор (рисунок 2 ).

Рисунок 2. Геотермальная электростанция прямой схемы

2. станции с сепаратором, использующие месторождения горячей воды под давлением. Иногда для этого используется насос, который обеспечивает нужный объём поступающего энергоносителя - непрямая схема.

Это наиболее распространенный тип геотермальных станций в мире. Здесь воды закачиваются под высоким давлением в генераторные установки. Происходит накачивание гидротермального раствора в испаритель для снижения давления, в результате идёт испарение части раствора. Далее образовывается пар, который и заставляет работать турбину. Оставшаяся жидкость также может приносить пользу. Обычно её пропускают ещё через один испаритель и получить дополнительную мощность (рисунок 3 ).

Рисунок 3. Геотермальная электростанция непрямой схемы

Они характеризуются отсутствием взаимодействия генератора или турбины с паром или водой. Принцип их действия основан на разумном применении подземной воды умеренной температуры.

Обычно температура должна быть ниже двухсот градусов. Сам бинарный цикл заключается в использовании двух типов вод - горячей и умеренной. Оба потока пропускаются через теплообменник. Более горячая жидкость выпаривает более холодную, и образуемые вследствие этого процесса пары приводят в действие турбины , , .

Рисунок 4. Схема геотермальной электростанци с бинарным циклом

Что касается нашей страны геотермальная энергия занимает первое место по потенциальным возможностям ее использования из-за уникального ландшафта и природных условий. Найденные запасы геотермальных вод с температурой от 40 до 200 °С и глубиной залегания до 3500 м на её территории могут обеспечить получение примерно 14 млн. м3 горячей воды в сутки. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, Казахстане, на Камчатке и в ряде других районов России. Например, в Дагестане уже длительное время термальные воды используются для теплоснабжения.

Первая геотермальная электростанция была построена в 1966 году на Паужетском месторождении на полуострове Камчатка с целью электроснабжения окрестных поселков и рыбоперерабатывающих предприятий, что способствовало местному развитию. Местная геотермальная система может обеспечить энергией электростанции мощностью до 250-350 МВт. Но данный потенциал используется только на четверть .

Территория Курильских островов обладает уникальными и одновременно сложным ландшафтом. Электроснабжение находящихся там городов обходится большими сложностями: необходимость доставки на острова средств существования морским или воздушным путём, что достаточно затратно и занимает много времени. Геотермальные ресурсы островов на данный момент позволяют получать 230 МВт электроэнергии, что может обеспечить все потребности региона в энергетике, тепле, горячем водоснабжении.

На острове Итуруп найдены ресурсы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова. На южном острове Кунашире действует ГеоЭс 2,6 МВт, которая используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. Планируются строительство еще нескольких ГеоЭс суммарной мощностью 12-17 МВт .

Наиболее перспективными регионами для применения геотермальных источников в России являются юг России и Дальний Восток. Огромный потенциал геотермальной энергетики имеют Кавказ, Ставрополье, Краснодарский край.

Использование геотермальных вод в Центральной части России требует больших затрат из-за глубокого залегания термальных вод.

В Калининградской области в планах осуществление опытного проекта геотермального тепло- и электроснабжения города Светлый на базе бинарной ГеоЭс мощностью 4 МВт.

Геотермальная энергетика России ориентирована как на строительство крупных объектов, так и на использование геотермальной энергии для отдельных домов, школ, больниц, частных магазинов и других объектов с использованием геотермальных циркуляционных систем.

В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато и приостановлено строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт.

В 1999 г. была пущена в эксплуатацию Верхне-Мутновская ГеоЭС (рисунок 5 ).

Рисунок 5. Верхне-Мутновская ГеоЭС

Она обладает мощностью 12 МВт (3х4 МВт) и является опытно-промышленной очередью Мутновской ГеоЭС проектной мощностью 200 МВт, создаваемой для электроснабжения промышленного района Петропавловск-Камчатска.

Но несмотря на большие плюсы в этом направлении присутствует и недостатки:

1. Главный из них заключается в необходимости закачки отработанной воды обратно в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что делает невозможным сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.

2. Иногда действующая геотермальная электростанция может приостановиться в результате естественных изменений в земной коре.

3. Найти подходящее место для строительства геотермальной электростанции и получить разрешение местных властей и согласие жителей на ее возведение может быть проблематичным.

4. Строительство ГеоЭС может отрицательно повлиять на землю стабильности в окружающем регионе.

Большинство этих недостатков незначительны и в полнее решаемы .

Сегодня в мире люди не задумываются об последствиях своих решений. Ведь что они будут делать если закончатся нефть, газ и угол? Люди ведь привыкли жить в комфорте. Топить дома дровами они долго не смогут, потому что большому населению потребуется огромнейшее количество древесины, что само собой приведёт масштабной вырубке лесов и оставит мир без кислорода. Поэтому для того чтобы этого не произошло необходимо использовать доступные нам ресурсы экономно, но с максимальной эффективностью. Как раз одним из способов решения этой проблемы является развитие геотермальной энергетики. Конечно она имеет свои плюсы и минусы, но её развитие очень облегчит дальнейшее существование человечества и сыграет большую роль в дальнейшем его развитии.

Сейчас это направление не сильно популярно, потому что в мире господствует нефтяная и газовая промышленность и крупные компании не спешат вкладывать средства в развитие столь необходимой отрасли промышленности. Поэтому для дальнейшего прогрессирования геотермальной энергетики необходимы инвестиции и поддержка государства, без которой осуществить что либо в масштаб всей страны просто невозможно. Введение геотермальной энергетики в энергобаланс страны позволит:

1. повысить энергетическую безопасность, с другой - снизить вредное воздействие на экологическую обстановку по сравнению с традиционными источниками.

2. развить экономику, потому что высвободившиеся денежные средства можно будет вкладывать в другие отрасли промышленности, социальное развитие государства и т. д.

В последнее десятилетие использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии переживает в мире настоящий бум. Масштаб применения этих источников возрос в несколько раз. Она способна радикально и на наиболее экономической основе решить проблему энергоснабжения указанных районов, которые пользуются дорогим привозным топливом и находятся на грани энергетического кризиса, улучшить социальное положение населения этих районов и т. д. Как раз это мы и наблюдаем в странах Западной Европы (Германия, Франция, Великобритания), Северной Европы (Норвегия, Швеция, Финляндия, Исландия, Дания). Это объясняется тем что они обладают высоким экономическим развитием и очень сильно зависят от ископаемых ресурсов и поэтому главы этих государств вместе с бизнесом стараются минимизировать эту зависимость. В частности, странам Северной Европы развитию геотермальной энергетики благоприятствует наличие большого количества гейзеров и вулканов. Ведь не зря Исландию называют страной вулканов и гейзеров.

Сейчас человечество начинает понимать всю важность это отрасли и старается по мере возможностей её развивать. Применение большого ряда самых разнообразных технологий даёт возможность снизить потребление энергии на 40-60 % и одновременно обеспечить реальное экономическое развитие. А оставшиеся потребности в электроэнергии и тепле можно закрыть за счёт более эффективного её производства, за счёт восстановления, за счёт объединения выработки тепловой и электрической энергий, а так же за счёт использования возобновляемых ресурсов, что даёт возможность отказаться от некоторых видов электростанций и снижает эмиссию углекислого газа на примерно на 80 %.

Список литературы:

1.Баева А.Г., Москвичёва В.Н. Геотермальная энергия: проблемы, ресурсы, использование: изд. М.: СО АН СССР, Институт теплофизики, 1979. - 350 с.

2.Берман Э., Маврицкий Б.Ф. Геотермальная энергия: изд. М.: Мир, 1978 - 416 стр.

3.Геотермальная энергия. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://ustoj.com/Energy_5.htm (дата обращения 29.08.2013).

4.Геотермальная энергетика России. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://www.gisee.ru/articles/geothermic-energy/24511/ (дата обращения 07.09.2013).

5.Дворов И.М. Глубинное тепло Земли: изд. М.: Наука, 1972. - 208 с.

6.Энергетика. Материал из Википедии - свободной энциклопедии. [Электронный ресурс] - Режим доступа - URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_энергетика (дата обращения 07.09.2013).