В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики
3.3.4. Геотермальная энергетика
Геотермальная энергетика использует для производства электрической энергии энергию, содержащуюся в недрах земли. В вулканических районах вода, циркулирующая в подземных горизонтах, на относительно небольших глубинах перегревается выше температуры кипения и по трещинам поднимается к поверхности, иногда выходя в виде гейзеров. Доступ к подземным теплым водам возможен при помощи бурения скважин.
Более распространены сухие высокотемпературные породы, энергия из которых может быть получена при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее 100 °C распространены и на множестве геологически малоактивных территорий. Геотермальные источники широко используются в энергетике и хозяйстве во многих странах: США, Исландии, Новой Зеландии, Италии, Франции, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении и других.
Геотермальная энергетика подразделяется на два направления: петротермальная энергетика и гидротермальная энергетика.
Рис. 46. Схема получения геотермальной энергии
Петротермальная энергетика связана с глубинными температурами Земли, средняя скорость повышения которых с глубиной – около 2,5 °C на каждые 100 метров. На глубине 5 км температура составляет примерно 125 °C, а на 10 км – около 250 °C. Добыча тепла производится посредством бурения двух скважин, в одну из которых закачивается вода, которая, нагреваясь, попадает в смежную скважину и выходит в виде пара (рис. 46). Главная проблема данного вида энергетики на сегодня – рентабельность.
Гидротермальная энергетика основана на использовании природных источников перегретых подземных вод, которыми обладают многие вулканические зоны планеты, в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для этих целей. Высокотемпературное тепло вулканических районов и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии, а непосредственное устройство станции зависит от используемого источника геотермальной энергии.
Большие объемы подземных термальных вод имеются в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России, а также в Казахстане. На 2006 г. в России было разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м3/сутки. На 20 месторождениях ведется промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край). Сейчас геотермальная энергетика обеспечивает 30 % выработки электроэнергии на Камчатке (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мутновская ГеоЭС) (рис. 47).
Рис. 47. Мутновская ГеоЭС на Камчатке
Главная из проблем, возникающих при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиак, фенолы). Это исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.
Потенциальная суммарная мощность геотермальных электростанций мира уступает большинству типов станций на иных возобновляемых источниках энергии. Однако это направление получило развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных географических районах, в которых отсутствуют или относительно дороги горючие полезные ископаемые. Так как геотермальная энергия, в отличие от нефти и угля, не нуждается в переработке после добычи или транспортировке на большие расстояния, она обходится намного дешевле и более чистая с экологической точки зрения. В настоящее время геотермальное электричество производится в 24 странах.
На начало 1990-х годов установленная мощность геотермальных электростанций в мире составляла около 5 ГВт, на начало 2000-х – около 6 ГВт, а в 2010 году суммарная мощность геотермальных электростанций в мире выросла до 10,7 ГВт (табл. VII).
Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, которые в 2005 году произвели около 16 млрд кВтч геотермальной электроэнергии. В 2010 году суммарные мощности 77 геотермальных электростанций в США составляли 3086 МВт. Наиболее мощная и известная группа геотермальных электростанций США находится на границе округов Сонома и Лейк в 116 км к северу от Сан-Франциско. Она носит название «Гейзерс» и состоит из 22 геотермальных электростанций с общей установленной мощностью 1517 МВт, на которые сейчас приходится четвертая часть всей производимой в Калифорнии альтернативной (не-гидро) электроэнергии. Как один из альтернативных источников энергии геотермальная электроэнергетика имеет в США особую правительственную поддержку, а американские компании, работающие в этой области, в настоящее время стремятся делать бизнес не только на территории США, но и за их пределами.
Геотермальная энергетика продолжает достаточно устойчиво развиваться, хотя и не такими быстрыми темпами, как солнечная и ветроэнергетика (рис. 48). Лидерами в ее развитии сейчас являются страны Азиатско-Тихоокеанского региона, на долю которых уже приходится 47,6 % производимой в мире геотермальной энергии. На Северную Америку приходится 42,3 %, а на Европу – 10 %. Однако несмотря на быстрые и устойчивые темпы развития геотермальной энергетики, существующей уже более ста лет, ее реальный потенциал слишком мал, чтобы внести существенный вклад в мировую энергетику.
Таблица VII. Установленная мощность геотермальных электростанций по странам мира
Рис. 48. Рост установленной мощности мировой геотермальной энергетики, МВт
3.3.5. Биоэнергетика
Биоэнергетика, наряду с солнечной энергетикой, является основной надеждой и аргументом тех, кто рассчитывает на возможность удовлетворения энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников энергии. Сейчас на долю сжигания биомассы, в основном дров и сельскохозяйственных отходов, приходится значительная часть энергопотребления в бытовом секторе многих слаборазвитых стран. Но в условиях уже обсуждавшегося дефицита продуктов питания и деградации сельскохозяйственных земель рассчитывать на удовлетворение быстро растущих энергетических потребностей человечества за счет «зеленой энергетики», т. е., по сути, сельского хозяйства, нереально. Конечно, это не исключает более широкого использования отходов биомассы и бытовых отходов для выработки энергии. Например, на территории современного городского района с населением в 100 тыс. человек ежегодно образуется около 40 тыс. т твердых горючих бытовых отходов, тепловая утилизация которых позволяет обеспечить половину жителей района горячей водой, сэкономив 10–15 % расхода природного топлива.
Поскольку технологии получения энергии из биосырья достаточно разнообразны, рассмотрим этот вопрос более подробно. Если оставить в стороне чисто бытовое использование древесного топлива (дрова, древесные пеллеты и т. п.), то все растительное сырье, реально или потенциально пригодное для использования в промышленной энергетике, принято делить на несколько поколений.
Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в топливо для дизельных двигателей, получившее название биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются в этанол (этиловый спирт), который может использоваться как топливо для карбюраторных двигателей либо самостоятельно, либо как добавка к бензину, повышающая его октановое число. Однако помимо проблем, связанных с ведением интенсивного сельскохозяйственного производства: истощением почв, высокими затратами на их обработку, полив, удобрения и пестициды, изъятие даже части продовольственных культур с рынка пищевых продуктов непосредственно влияет на цену продовольствия для населения. Это сырье относят к первому поколению биотоплив.
Непищевые остатки культивируемых растений, траву и отходы древесины относят ко второму поколению биосырья. Его получение в принципе связано с гораздо меньшим объемом затрат, чем культур первого поколения. Но при этом резко возрастают расходы на его сбор, подготовку и переработку. Такое сырье содержит в основном целлюлозу и лигнин. Его можно непосредственно сжигать (как это традиционно делают с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз с получением жидких и газообразных продуктов. Основные недостатки использования второго поколения биосырья – занимаемые для его получения земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.
