Що таке геотермальна енергія?
Дізнайтеся, як цей чистий відновлюваний енергетичний ресурс може допомогти зменшити світову залежність від викопного палива.
Що таке геотермальна енергія?
Оскільки люди, організації та народи шукають способи зменшити обсяг викидів вуглецю, державні органи та компанії виступили з важливими зобов’язаннями зі зниження вуглецевих викидів. Пошук палива, яке було б альтернативою викопним видам, таким як вугілля, природний газ і нафта, є критично важливим для досягнення цих цілей. Тому важливість відновлюваних джерел чистої енергії наприклад сонячних, вітряних та геотермальних джерел, зростає.
Сьогодні геотермальна енергетика вважається одним із найефективніших і найстійкіших типів енергії, оскільки це чистий, надійний і відновлюваний ресурс. Геотермальна енергія використовує тепло із середини земної поверхні для виробництва електроенергії та забезпечення геотермального опалення й охолодження будинків і підприємств. Геотермальні ресурси використовуються в Північній Америці більше 10 000 років: ще американські індіанці доби палеоліту використовували геотермальні гарячі джерела для зігрівання, приготування їжі та купання.
Здатність певного регіону використовувати геотермальну енергію залежить від його географічного розташування. Найкращі геотермальні ресурси зазвичай знаходяться поблизу меж тектонічних плит. Для цих зон характерними є вулканічна активність і землетруси, спричинені зсувами земної кори. Прикладом такої зони є Вогняне кільце навколо Тихого океану, для якого характерні активність вулканів і сейсмічна активність, спричинені тектонічними зсувами плит. В цьому регіоні найбільше геотермальних зон у світі.
Сполучені Штати зараз є світовим лідером з виробництва геотермальної енергії, хоча геотермальна енергія як така становить лише невеликий відсоток від загального споживання енергії в США. Оскільки виробництво геотермальної енергії зосереджене поблизу меж тектонічних плит, більшість геотермальних електростанцій США знаходяться в західних штатах. Каліфорнія, де розташовано 40 геотермальних електростанцій, є найбільшим виробником геотермальної енергії.
Ісландія, Філіппіни та Сальвадор також є світовими лідерами з виробництва геотермальної енергії. При цьому на частку геотермальної енергії припадає понад 25% загального споживання енергії в кожній з країн.
Прочитайте цю статтю, щоб дізнатися про геотермальну енергію, оцінити її плюси та мінуси та дослідити приклади джерел геотермальної енергії. Ви також дізнаєтеся про майбутнє геотермальної енергії та про те, як технології можуть допомогти прискорити інновації в галузі виробництва геотермальної енергії.
Типи геотермальної енергії
Геотермальна енергія отримується із тепла всередині земної кулі. Термін "геотермальний" походить від грецьких слів geo (земля), та thermos (гарячий). Під земною корою, яка складається з гірських порід і води, є шар гарячої розплавленої породи, який називається магмою. Температура магми складає від 1300°F до 2400°F, вона може вириватися на поверхню землі у вигляді лави. Магма також нагріває скелі та підземні шари води, які можуть виходити на поверхню у формі гейзерів, гарячих джерел та викидів пари – усе це є прикладами геотермальної енергії.
Однак більшість геотермальної енергії землі залишається замкненою в кишенях пари та гарячої води під землею та може бути використана у різні способи:
Геотермальна енергія з низькою температурою
- Тепло, отримане від геотермальної рідини, яка знаходиться близької до поверхні земної кулі, піднімається самостійно або отримується за допомогою свердловин.
- Доступ до нього можна отримати майже в будь-якій точці світу.
- Пряме використання геотермальної енергії означає опалення за допомогою цього тепла будинків, теплиць, рибних господарств а також його застосування у деяких промислових процесах.
Геотермальна енергія спільного виробництва
- Використовується нагріта вода, отримана як побічний продукт розробки нафтових та газових свердловин.
- Використовується для виробництва електроенергії, яка споживається самим виробничим об’єктом або віддається в мережу.
Геотермальне опалення та охолодження
- Геотермальні теплові насоси розташовуються на глибині від 10 до 300 футів під землею.
- Вони обігрівають будівлі взимку та охолоджують їх улітку.
Геотермальна електростанція
- Використовує тепло геотермальних резервуарів на глибині до двох миль від земної поверхні.
- Виробляє електроенергію.
Плюси та мінуси геотермальної енергії
Хоча геотермальна енергія – це відновлюваний і чистий енергоресурс, у неї є певні недоліки. Зокрема це високі початкові витрати, можливість спричинення землетрусів та осідання, тобто поступове опускання ділянки земної поверхні.
Плюси використання геотермальної енергії:
- Екологічність: геотермальні електростанції відрізняє мінімальний вуглецевий слід та дуже низький рівень забруднення атмосфери. Використання геотермальної енергії для опалення та охолодження скорочує рівень викидів парникових газів.
- Відновлюваність: на відміну від викопних видів палива резервуари геотермальної енергії відновлюються природним чином, їх вистачить на мільярди років.
- Надійність та стабільність: на відміну від енергії вітру та сонячної енергії, геотермальна енергія завжди доступна, її доступний обсяг не коливається. Керівництво може точно передбачити вихідну потужність геотермальних електростанцій, що робить їх ідеальними для задоволення потреб в енергії базового навантаження.
Мінуси використання геотермальної енергії:
- Екологічні побічні ефекти: геотермальна енергетика спричиняє викиди певного обсягу парникових газів під земною поверхнею, які згодом можуть потрапити в атмосферу. Геотермальні електростанції можуть впливати на стабільність ґрунту. Відомі випадки, коли вони спричиняли землетруси та осідання.
- Необхідне керування: після приєднання до геотермальної електростанції геотермальні резервуари потребують контролю, щоб уникнути їхнього вичерпання.
- Розташування електростанцій обмежене певними регіонами: геотермальні електростанції можуть бути побудовані лише в місцях, розташованих поблизу меж тектонічних плит, де доступні геотермальні резервуари.
Геотермальні електростанції
Геотермальні електростанції використовують високотемпературні геотермальні ресурси, які отримуються із сухої пари або свердловин з гарячою водою. Свердловини для геотермальних станції такі ж глибокі, як свердловини, що використовуються для видобутку нафти та газу. Пара або гаряча вода викачується на поверхню, де вона використовується для обертання турбін, які виробляють електричну енергію.
Існують три типи геотермальних електростанцій:
Електростанції сухої пари
Використовують пару з природних джерел. Пара піднімається до земної поверхні з видобувної свердловини, передає свою енергію турбіні, конденсується та закачується назад у землю або викидається в атмосферу. Електростанції сухої пари є найдавнішим типом геотермальних станцій, вони вважаються найпростішими та найефективнішими.
Найстаріша електростанція цього типу розташована в Лардерелло, Італія. Збудована у 1911 р., вона продовжує постачати електроенергію більш ніж мільйону місцевих жителів. Ще однією важливою електростанцією сухої пари є зона геотермальних ресурсів Гейзерс на північ від Сан-Франциско. Електроенергія тут виробляється з 1960-х років, її частка складає приблизно п’яту частину всієї відновлюваної енергії, що виробляє штат Каліфорнія.
Станції з пароутворювачем, які працюють на родовищах гарячої води під тиском
Перетворює на пар воду з глибини землі, яка гарячіше за 360°F і перебуває під високим тиском. Гаряча вода із свердловини піднімається на поверхню і спочатку потрапляє у пароперетворювач, де тиск є значно меншим. Зниження тиску призводить до "спалаху" води, тобто вона моментально перетворюється в пару, яка використовується для обертання турбін. Залишкова рідина може знову бути перетворена на пару у другому пароперетворювачі для повторного виробництва електроенергії.
Станції з пароутворювачем сьогодні є найпоширенішим типом геотермальних електростанцій. Ісландія, яка є островом вулканічного походження, використовує геотермальні електростанції з пароутворювачем, завдяки яким практично повністю задовольняє власні потреби в електроенергії. Найбільша електростанція цього типу розташована на Філіппінах, які розташовані вздовж Вогняного кільця.
Електростанції з бінарним циклом
Використовують інший підхід до виробництва тепла. Вони працюють із водою під високим тиском нижчої температури – від 225°F до 330°F. Цей метод використовує теплообмінник, щоб передати тепло гарячої води на вторинну рідину, яка обертає турбіни.
Оскільки вода помірної температури є доступнішою, очікується, що електростанції бінарного типу стануть найпоширенішим видом геотермальних електростанцій у майбутньому.
Як використовується геотермальна енергія?
Трьома найпоширенішими способами використання геотермальної енергії є пряме використання, виробництво електроенергії та опалення й охолодження з використанням підземних джерел.
Геотермальні системи прямого використання
Користуйтеся підземними водами, що нагріваються розігрітими породами й залягають на глибині від кількох футів до менш ніж милі під поверхнею землі. Для видобутку підземних вод, які можуть досягати температури 200°F або більше, буряться свердловини. У деяких випадках гаряча вода або пара можуть підійматися самостійно, без необхідності активного перекачування. Їх можна використовувати напряму або в циклічному режимі через теплообмінник.
Геотермальні води, що використовуються напряму, є корисними в багатьох сферах, зокрема для нагрівання водойм для промислового вирощування риби, розтоплення льоду й снігу на тротуарах і дорогах, підігрівання великих басейнів, опалення будівель і подачі гарячої води. Хоча геотермальні системи прямого використання пов’язуються з меншими капітальними витратами, ніж глибші геотермальні системи, використання цієї технології обмежується регіонами, у яких природні джерела підземних вод розміщені поблизу або на поверхні землі, як-от регіонами з вулканічною або тектонічною активністю.
Виробництво електроенергії
Три типи геотермальних електростанцій, що описані вище, використовують геотермальні ресурси всередині землі для отримання електроенергії. Більшість із них використовують водні системи замкненого циклу, тобто повертають видобуту й використану воду безпосередньо в геотермальний резервуар. Оскільки велика частина води перетворюється на пару, електростанціям потрібно закачувати значну кількість води, щоб підтримувати постійний обсяг води в резервуарі. Хоча геотермальна енергія – це відновлюваний ресурс, який станом на сьогодні використовується приблизно в 20 країнах, більшість геотермальних свердловин із часом охолоне, особливо якщо тепло видобуватиметься швидше, ніж поповнюватиметься запас води.
Геотермальне опалення та охолодження
Це найпоширеніший спосіб використання геотермальної енергії, відомий також як опалення й охолодження з використанням підземних джерел. Щоб відповісти на запитання про суть геотермального опалення, важливо розуміти, як працює геотермальний тепловий насос (який відбирає тепло з підземних джерел). Замість того, щоб генерувати тепло, насос використовує ґрунт як джерело тепла та переміщує тепло між ґрунтом і будинком або будівлею.
Насос розміщується на глибині 10–300 футів під поверхнею землі та з’єднується з лабіринтами з труб, які переносять рідину з-під землі до будівлі. Узимку рідина поглинає тепло ґрунту й переносить його в будівлю, де геотермальне тепло вивільняється через систему труб. Улітку рідина поглинає тепло в будівлі та переносить його в землю для охолодження.
Інші способи використання геотермальної енергії
- Сільське господарство використовує геотермальну енергію, щоб зберегти рослини в теплі взимку шляхом підігріву парою ґрунту.
- Деякі санаторії використовують геотермальні джерела для обігріву гідромасажних і теплових ванн.
- Гарячі джерела відомі своєю здатністю покращувати здоров’я людей.
- Природні гейзери також дуже популярні серед туристів. Старий Служака в Єллоустонському національному парку – це геотермальне диво, виверження якого відбувається кожні 60–90 хвилин. Його відвідує приблизно 4 мільйонів людей щороку.
Майбутнє геотермальної енергії
Гідравлічний фрекінг для виробництва геотермальної енергії
Фрекінг – це поширений спосіб збільшення виробництва у нафтогазовій промисловості. У процесі фрекінгу рідина під високим тиском закачується у скельні породи, щоб подрібнити їх та зробити проникними. Гідравлічний фрекінг у виробництві геотермічної енергії використовує подібний підхід і називається "розширеними геотермальними системами" (ESG). Хоча загалом цей процес дуже схожий на тип фрекінгу, який використовується в нафтогазовидобувній галузі, існує кілька важливих відмінностей. Геотермальний фрекінг створює менші за розміром та більш керовані розриви порід, а також використовує рідину, яка значно менше забруднює атмосферу.
ESG виробляє пару, видобуваючи енергію з порід достатньо гарячих, але занадто сухих, щоб створювати пару самостійно. Розробники бурять "нагнітальні свердловини" вертикально на глибину приблизно від 0,6 до 2,8 миль углиб, щоб дістатися до резервуарів гарячої сухої породи. Потім вони використовують воду під високим тиском або вибухівку для подрібнення породи та створення геотермальних резервуарів з рідиною. Експлуатаційна свердловина повертає гарячу воду на земну поверхню, де вона, подібно до установок з бінарним циклом, нагріває вторинну рідину до "спалаху" та перетворення на пару. Геотермальна електростанція використовує пару, щоб обертати турбіни та виробляти електроенергію.
Перешкоди для зростання геотермальної енергії
- Брак природних геотермальних ресурсів. Як описано на початку цієї статті, доступність геотермальних ресурсів обмежується регіонами поблизу меж тектонічних плит. Більшість країн, у яких є доступ до геотермальної енергії, уже певною мірою використовують цей ресурс.
- Витрати на дослідження геотермальної електростанції та ризики. Проведення початкової програми розвідки та буріння трьох-п’яти геотермальних свердловин коштує від 20 до 30 млн USD. Це, а також ризик невдалої розвідки, є перешкодою для масштабування використання геотермальної енергії у світі.
- Вартість і ризик для станцій, пов’язаний з розширеними геотермальними системами. Хоча ESG може розширити доступність геотермальних ресурсів, буріння геотермальних свердловин значно дорожче за буріння нафтогазових свердловин. Ще одна перешкода полягає в тому, що свердловини ESG можуть спричиняти землетруси, як і традиційний фрекінг. Зокрема, якщо гідравлічний фрекінг відбувається поруч із вже існуючим розломом, існує ризик більш сильного землетрусу, достатньо потужного, щоб пошкодити будівлі поблизу.
- Висока початкова вартість систем геотермального опалення та охолодження. Геотермальні теплові насоси коштують від 3 500 до 7 500 USD за базову модель.Більш дорогі моделі з такими функціями, як опалення з використанням гарячої води, коштують ще більше. Крім того, витрати на земляні роботи та встановлення обладнання можуть збільшити ціну до 12 000–15 000 USD за одиницю обладнання. Втім, деякі країни можуть пропонувати знижки або податкові пільги для компенсації частини цих витрат. Зрештою ці системи забезпечують прибуток на інвестований капітал, оскільки вони дуже енергоефективні. Люди, які вкладають кошти в геотермальні системи опалення та охолодження, можуть розраховувати на економію в розмірі від 30% до 70% від вартості спожитої за рік електроенергії.
Як геотермальна енергія впливає на довкілля?
Екологічна й відновлювана геотермальна енергія дедалі частіше розглядається як альтернатива використанню викопного палива. Однак геотермальна енергія впливає на навколишнє середовище кількома різними способами. В цілому позитивний вплив геотермальної енергії переважає негативний.
Негативні наслідки
-
Споживання води
Геотермальні електростанції споживають багато води для охолодження та для поповнення геотермальних резервуарів. З усіх відновлюваних і невідновлювальних видів електростанцій геотермальні посідають друге місце за обсягом споживання води. -
Викиди в атмосферу
Геотермальні станції відкритого циклу викидають в атмосферу сірководень, вуглекислий газ, аміак, метан і бор. Однак більшість геотермальних електростанцій – це системи замкненого циклу, які закачують ці гази назад під земну поверхню з мінімальними викидами в атмосферу. -
Осідання ґрунту
Коли геотермальні електростанції видобувають гарячу воду глибоко з-під землі, вони залишать пусті порожнини, які з часом зменшуються, якщо їх не поповнювати. На поверхні це може вплинути як на середовище, так і на будівлі. -
ESG
Фрекінг ESG може спричиняти землетруси. Тому геотермальні станції намагаються не розміщувати поблизу міських районів, підприємств і будинків. Крім того, багато людей вважають, що ESG може бути причиною негативного впливу на середовище, подібного до того, як це трапляється під час фрекінгу при видобуванні нафти й газу. Це можуть бути витоки і розливи рідини, забруднення ґрунту та ґрунтових вод.
Позитивні наслідки
-
Низький обсяг вуглецевих викидів
Геотермальна енергія є екологічною порівняно з більшістю джерел енергії. Обсяг вуглецевих викидів середньої геотермальної електростанції складає приблизно восьму частину обсягу викидів, що потрапляють в атмосферу при роботі середньої електростанції, що працює на вугіллі. -
Зменшує залежність від альтернативних джерел енергії
Геотермальна енергія може забезпечити стабільне надійне джерело електроенергії, яке допоможе Сполученим Штатам та іншим країнам відійти від їхньої залежності від викопного палива та інших теплових видів генерації електроенергії з використанням пропану, природного газ або нафти. Крім того, геотермальні електростанції не потребують викопних видів палива. -
Зменшує вуглецевий слід
Геотермальне опалення та охолодження відрізняється високою енергоефективністю. Це ефективний спосіб для людей зменшити вуглецевий слід їхніх домівок та будівель. Наприклад, геотермальне опалення та охолодження може зменшити обсяг викидів парникових газів із будинку на 75%. -
Технології допомагають стимулювати трансформацію енергетики
Перед світом постав небачений виклик. Потрібно стабілізувати наш клімат, створивши економіку з нульовим рівнем викидів вуглецю. Зазначені нижче інноваційні технології допомагають підтримувати глобальний перехід на екологічнішу енергію.
Microsoft Cloud for Sustainability
Розроблено для надання організаціям аналітичних висновків,потрібних їм для фіксування впливу на довкілля, звітування про вплив на довкілля та спроб його зменшити.
IoT Energy Management
Завдяки IoT Energy Management компанії можуть зняти напругу, пов’язану з виконанням їхніх зобов’язань щодо екологічної стійкості, за допомогою покращення енергоефективності та співвідношення між попитом і пропозицією.
Azure IoT
Постачальники електроенергії на зразок ENGIE використовують штучний інтелект і хмару, щоб підвищити ефективність процесу виробництва електроенергії та скоротити витрати.
Квантові обчислення
Квантові обчислення допоможуть прискорити вирішення проблем, пов’язаних із переходом на енергію відновлюваних джерел, як-от сонячну, водну, вітрову та геотермальну енергію.
Прискорте шлях до екологічної стійкості
Microsoft Cloud for Sustainability стимулює прогрес і дає вам змогу оптимізувати свій бізнес за допомогою екологічних, соціальних та управлінських (ESG) можливостей на будь-якому етапі впровадження моделі нульової довіри.
Запитання й відповіді
-
Геотермальна енергія, яка вважається одним із найбільш стійких і ефективних видів енергії, є чистим, надійним і відновлюваним ресурсом. Вона використовує тепло, що зберігається всередині земної поверхні, для виробництва електроенергії та забезпечення геотермального опалення й охолодження будинків і підприємств.
-
Геотермальна енергія має три основні переваги:
- Екологічність.
- Відновлюваність.
- Надійність і стабільність.
Цей чистий ресурс відновлюваний ресурс енергії може допомогти зменшити залежність світу від споживання викопних видів палива.
-
У порівнянні з іншими джерелами енергії геотермальна енергія має три недоліки:
- Вона призводить до того, що в атмосферу потрапляють парникові гази, які видобуваються з-під земної поверхні, і може впливати на стабільність ґрунту.
- Геотермальні резервуари потребують контролю, щоб запобігти їхньому вичерпанню.
- Геотермальні станції можна будувати лише в місцях, розташованих поблизу меж тектонічних плит, де доступні геотермальні резервуари.
-
Геотермальна енергія використовується для опалення та охолодження домівок, опалення теплиць, підтримки промислових процесів та виробництва електроенергії.
-
Ось чотири типи геотермальної енергії:
- Геотермальна енергія з низькою температурою.
- Геотермальна енергія спільного виробництва.
- Геотермальне опалення та охолодження.
- Геотермальна електростанція.
Підпишіться на Microsoft