Геотермальна енергія – це тепло земних надр. Виробляється воно в глибинах і надходить до поверхні Землі в різних формах і з різною інтенсивністю.
На деякій глибині – від десятків до сотень метрів – температура ґрунту тримається постійною, вона дорівнює середньорічній температурі повітря біля поверхні Землі. У цьому легко переконатися, спустившись в досить глибоку печеру.
Розігрів глибинних шарів Землі пов’язують, головним чином, з розпадом радіоактивних елементів, які там знаходяться, хоча називають і інші джерела тепла, наприклад фізико-хімічні, тектонічні процеси в глибоких шарах земної кори і мантії. Але чим би це не було обумовлено, температура гірських порід і пов’язаних з ними рідких і газоподібних субстанцій з глибиною зростає. З цим явищем стикаються гірники – в глибоких шахтах завжди жарко. На глибині 1 км тридцятиградусна спека – нормальне явище, а глибше температура ще вище.
У середньому температура з глибиною зростає на 2,5-3 ° C на кожні 100 м. Відношення різниці температур між двома точками, що лежать на різній глибині, до різниці глибин між ними називають геотермічних градієнтом.
Зворотна величина – геотермічний щабель, або інтервал глибин, на якому температура підвищується на 1 ° C.
Чим вище градієнт і відповідно нижчий ступінь, тим ближче тепло глибин Землі підходить до поверхні і тим більш перспективний даний район для розвитку геотермальної енергетики.
Втім, для цілей геотермальної енергетики дані про температури на глибинах понад 10 км поки не становлять практичного інтересу.
На глибинах в кілька кілометрів багато тепла, але як його підняти?
Геотермальна енергетика – виробництво електричної і теплової енергії на геотермальних станціях за рахунок теплової енергії, що міститься в надрах землі. Джерелом такої енергії для будівлі і споруди є тепловий насос. На відміну від інших теплогенераторів (газових, дизельних, електричних), він забирає накопичену землею або підземними ґрунтовими водами тепло і передає його в будинок. Володіє високим, в порівнянні з іншими системами теплопостачання, коефіцієнтом ефективності.
Тепловий насос може повністю покрити потреби будинку у теплі, ГВС, забезпечити пасивне кондиціювання, одночасно виконуючи функції енергозберігаючої системи вентиляції. Витрати електроенергії в порівнянні з традиційними системами опалення / кондиціонування зменшуються в 2 рази.
Принцип роботи теплового насоса – «холодильник навпаки». Працює на електроенергії, але видається теплова потужність в 3-5 разів більше ніж витрачається електроенергії. Термін служби такого насоса- 15-25 років.
Переваги теплових насосів:
Працюють цілорічно, тому що використовують стабільне джерело постійної позитивної температури.
Оснащені функцією охолодження – забезпечують пасивне кондиціонування будівлі через систему опалення.
Мають вбудований бойлер, який нагріває воду для побутових потреб або басейну.
Спеціальний модуль в них відбирає тепло з витяжного повітря і передає його в систему збору тепла (рекуператор-теплообмінник).
В Ісландії в даний час більше 60% всієї споживаної енергії беруть з Землі. У тому числі за рахунок геотермальних джерел забезпечується 90% опалення і 30% вироблення електроенергії. Додамо, що інша частина електроенергії в країні виробляється на ГЕС, тобто також з використанням поновлюваного джерела енергії, завдяки чому Ісландія виглядає певним світовим екологічним стандартом.
Використання геотермальної енергії в XX столітті помітно допомогло Ісландії в економічних відносинах. До середини минулого століття вона була дуже бідною країною, зараз займає перше місце в світі за встановленою потужністю і виробництвом геотермальної енергії на душу населення і знаходиться в першій десятці по абсолютній величині встановленої потужності геотермальних електростанцій. Однак її населення складає всього 300 тисяч чоловік, що спрощує завдання переходу на екологічно чисті джерела енергії: потреби в ній в цілому невеликі.
Крім Ісландії висока частка геотермальної енергетики в загальному балансі виробництва електроенергії забезпечується в Новій Зеландії і острівних державах Південно-Східної Азії (Філіппіни та Індонезія), країнах Центральної Америки і Східної Африки, територія яких також характеризується високою сейсмічною і вулканічною активністю. Для цих країн при їх нинішньому рівні розвитку і потребах геотермальна енергетика вносить вагомий внесок в соціально-економічний розвиток.
Використання геотермальної енергії має досить давню історію. Один з перших відомих прикладів – Італія, містечко в провінції Тоскана, нині зване Лардерелло, де ще на початку XIX століття місцеві гарячі термальні води, які поступають із надр землі природним шляхом або видобуваються з неглибоких свердловин, використовувалися в енергетичних цілях.
Вода з підземних джерел, багата бором, вживалася тут для отримання борної кислоти. Спочатку цю кислоту отримували методом випарювання в залізних бойлерах, а в якості палива брали звичайні дрова з найближчих лісів, але в 1827 році Франческо Лардерел створив систему, яка працювала на теплі самих вод. Одночасно енергію природного водяної пари почали використовувати для роботи бурових установок, а на початку XX століття – і для опалення місцевих будинків і теплиць. Там же, в Лардерелло, в 1904 році термальний водяна пара стала енергетичним джерелом для отримання електрики.
Приклад Італії в кінці XIX-початку XX століття почали наслідувати деякі інші країни. Наприклад, в 1892 році термальні води вперше були використані для місцевого опалення в США (Бойсе, штат Айдахо), в 1919-м – в Японії, в 1928-м – в Ісландії.
У США перша електростанція, яка працювала на гідротермальній енергії, з’явилася в Каліфорнії на початку 1930-х років, в Новій Зеландії – в 1958 році, в Мексиці – в 1959-му, в Росії (перша в світі бінарна ГеоЕС) – в 1965-му .
Вироблення електроенергії вимагає більш високої температури гідроджерел ніж для опалення – більше 150 ° C. Принцип роботи геотермальної електростанції (ГеоЕС) схожий з принципом роботи звичайної теплової електростанції (ТЕС). По суті, геотермальна електростанція – різновид ТЕС.
На ТЕС в ролі первинного джерела енергії виступають, як правило, вугілля, газ або мазут, а робочим тілом служить водяна пара. Паливо, згораючи, нагріває воду до стану пари, яка обертає парову турбіну, а вона генерує електрику.
Відмінність ГеоЕС полягає в тому, що первинне джерело енергії тут – тепло земних надр і робоче тіло у вигляді пари надходить на лопаті турбіни електрогенератора в «готовому» вигляді прямо з видобувної свердловини.
Існують три основні схеми роботи ГеоЕС:
- пряма, з використанням сухої (геотермальної) пари;
- непряма, на основі гідротермальної води;
- змішана, або бінарна.
Застосування тієї чи іншої схеми залежить від агрегатного стану і температури енергоносія.
Принцип роботи ГеоЕС на сухій парі. Геотермальна пара, що надходить з видобувної свердловини, пропускається безпосередньо через парову турбіну. ГеоЕС з непрямою схемою роботи в наш час найпоширеніші. Вони використовують гарячу підземну воду, яка під високим тиском нагнітається в випарник, де частина її випаровується, а отримана пара обертає турбіну. У ряді випадків потрібні додаткові пристрої і контури для очищення геотермальної води і пари від агресивних сполук.
Принцип роботи ГеоЕС з непрямою схемою. Гаряча підземна вода з видобувної свердловини нагнітається в випарник, а отримана пара подається в турбіну.
Відпрацьована пара надходить в свердловину нагнітання або використовується для опалення приміщень, – в цьому випадку принцип той же, що при роботі ТЕЦ.
На бінарних ГеоЕС гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, яка виконує функції робочого тіла з більш низькою температурою кипіння. Обидві рідини пропускаються через теплообмінник, де термальна вода випаровує робочу рідину, пари якої обертають турбіну.
Ця система замкнута, що вирішує проблеми викидів в атмосферу. Крім того, робочі рідини з порівняно низькою температурою кипіння дозволяють використовувати в якості первинного джерела енергії і не дуже гарячих термальних вод.
Цікаві факти про гідротермальну енергію:
- Використання геотермальної енергії дає дуже низький рівень викидів парникових газів – приблизно три відсотки від викидів вуглекислого газу від викидів електростанцій, які працюють на викопному паливі.
- Геотермальна енергія широко використовується в Каліфорнії на більш ніж 30 геотермальних електростанцій, виробляють понад 90% від геотермальної електроенергії в США.
- Питома вага геотермальної енергії в електроенергії становить менше 1 відсотка від загального обсягу електроенергії, виробленої в США.
- Геотермальна енергія має мінімальний негативний вплив на навколишнє середовище.
- Геотермальна енергія не залежить від Сонця, на відміну від інших поновлюваних джерел енергії.
- Геотермальна енергія береться від Землі за допомогою геотермальних теплових насосів.
- У деяких районах Ісландії, гаряча вода з геотермальних електростанцій проходить під тротуарами і дорогами, щоб розтоплювати на них лід.
