Эксперт: Игорь Валигун — окончил РХТУ им. Менделеева по специальности инженер-эколог, специалист по возобновляемым источникам энергии (тепловые насосы), кандидат экономических наук в области возобновляемой энергетики.
Как можно использовать геотермальную энергию
Геотермальную энергию особенно актуально использовать там, где есть природные подземные термальные воды, вулканическая активность и гейзеры. Даже в условиях северного климата — на территории Сибири и Дальнего Востока. Тепловые установки с геотермальными насосами могут использоваться в бизнесе, в промышленности, для частных потребителей — обогревать школы, детские сады, жилые дома. Извлекать геотермальную энергию можно при помощи геотермальных электростанций и геотермальных установок с тепловыми насосами.
Есть два типа геотермальных установок. Первые используют горячие источники (гейзеры, вулканы) с температурой от 100 до 1300 ºC. Второй тип — это установки, которые используют низкопотенциальное тепло земли.
Горячие источники
Примерно половина из всех действующих в мире геотермальных электростанций работает на месторождениях сухого пара от термальных подземных вод. Но их количество невелико, и почти все они расположены там, где есть гейзеры и термальные воды: в России таких мест немного — на Камчатке, в Западной Сибири (Омская, Новосибирская область), в Дагестане. Эффективность и привлекательность такой энергии, безусловно, очень велика: чистый, бесплатный и неиссякаемый источник тепла — звучит как фантастический прогноз самых смелых футурологов.
Геотермальные электростанции используют прямой способ добычи тепла из подземных вод. Он довольно прост: вода закачивается насосами через трубы, проложенные в скважинах. Проходя по этим трубам, вода нагревается и превращается в пар под давлением, который на выходе из земли попадает на лопасти паротурбинных установок (ПТУ) и вращает их. При этом ПТУ вырабатывают электрическую энергию, а пар опять превращается в воду, которая уходит под землю на нагрев, и цикл повторяется.
ГеоТЭС построены на Камчатке, в Исландии, Кении, Новой Зеландии — везде, где есть относительно доступный источник высокой температуры (>100 ºC — так как воду необходимо превратить в пар). И при этом пар легкодоступен — не требуется крайне дорогостоящее бурение скважин на многие километры вглубь земной коры. Например, на Паужетской ГеоТЭС (Камчатский край) используются скважины глубиной от 366 м до 1205 м.
Разумеется, горячий пар на ГеоТЭС может служить источником тепла для котельных, и применяться для отопления близлежащих с ГеоТЭС поселков и городов, что делает теплоснабжение очень доступным и экологичным.
Тепло земли
Но не везде на территории России есть вулканы и гейзеры. Поэтому используется и второй тип геотермальных установок с низкопотенциальным теплом земли. Ведь на глубине в 8–10 м температура никогда не падает ниже +4–10 ºC (в зависимости от региона). Соответственно зимой на улице −20 ºC, а под землей +5 ºC. Тепловой насос извлекает это тепло из-под земли, концентрирует его и передает в систему отопления зданий в виде тепла с температурой 45–75 ºC.
Геотермальные установки с тепловыми насосами обычно не используют для выработки электрической энергии, чаще их применяют непосредственно для отопления зданий. Тепловой насос забирает тепло/энергию из любых источников низкопотенциального тепла (воды, воздуха, земли с невысокой температурой ~5–8 ºC) и концентрирует его, а потом передает для отопления зданий.
Газификация поселений в России составляет примерно 70%, и на оставшихся 30% территории использование систем отопления на базе геотермальных насосов может быть чуть ли не единственной альтернативой дровам, поскольку ни энергия солнца, ни энергия ветра не способны полностью отапливать здания. Для отопления более эффективными являются насосы «почва—вода»: они забирают тепло почвы и передают его воде, циркулирующей в системе отопления зданий.
Для забора тепла из почвы или грунтовой воды используется так называемый первичный теплообменный контур: он представляет собой закольцованную трубу, проложенную в почве с циркулирующим по ней хладагентом (чаще всего раствором спирта в воде). Проходя через слой земли (или грунтовой воды) хладагент нагревается до 4–8 ºC, и фактически «приносит» тепло для теплового насоса. Тепловой насос посредством фреона и компрессора превращает 4–8 ºC в 45–70 ºC (то есть концентрирует), и отдает это тепло воде, циркулирующей в трубах системы отопления здания.
Такие установки могут быть как малыми (рассчитанными на малоэтажное и коттеджное строительство — и их сейчас большинство), так и рассчитанными на обогрев многоэтажных строений. Последнее все же пока редкость — на территории РФ есть несколько пилотных проектов.
Опыт использования в бизнесе и сельском хозяйстве
Геотермальные установки использовались в СССР в южных районах для снабжения теплом теплиц и для обогрева прудов (аквакультуры) и бассейнов. С 1966 года успешно работали системы теплоснабжения на основе геотермальных установок в городах Махачкала, Кизляр, Избербаш и других населенных пунктах Дагестана. В 1969 году при помощи геотермальных установок обеспечивались теплом 15 га теплиц в Махачкале.
В 1985 году годовая добыча геотермальной воды в Краснодарском крае достигла 8,5 млн м³, отапливались жилые дома в семи населенных пунктах и 30 га теплиц. Геотермальный теплоноситель вначале поступал на отопление зданий, затем в теплицы для выращивания помидоров, огурцов, лимонов. Далее при температуре 30 ºС геотермальная вода поступала в рыборазводные пруды.
В 1990-е вся эта инфраструктура пришла в запустение. Работы единственного в России Института геотермальных проблем Российской академии наук в Махачкале были не востребованы. Государство и бизнес сделали ставку на углеводороды, не развивая возобновляемые источники энергии.
Как на этом заработать?
В настоящее время, в условиях резкого роста цен на энергоносители и огромной инфляции, возрождается интерес к геотермальной энергетике, но на развитие проектов в этой сфере нужны время и средства. Волна интереса к геотермальной энергетике снова поднимается: можно получить субсидирование по федеральному проекту «Чистый воздух», в рамках которого государство частично компенсирует переход на более экологичные виды источников тепла.
Потенциал использования геотермальной энергии в промышленности довольно большой: особенно на юге РФ. В 2015 году на Ханкальском месторождении (Чеченская Республика) для теплоснабжения 3 га теплиц была построена геотермальная система теплоснабжения мощностью 8,7 МВт с реинжекцией отработанного теплоносителя. Кроме того, тепловые насосы можно использовать в качестве кондиционеров летом, так как температура на глубине в несколько метров под землей меньше, чем у воздуха. Таким образом достигается экономия на дополнительной установке кондиционеров.
Плюсы геотермальной электроэнергетики
- Высокая экологичность. В сравнении с традиционной углеводородной энергетикой практически полностью отсутствуют выбросы парниковых газов, главный из которых — углекислый газ, получаемый в результате сгорания ископаемого топлива (уголь, нефть, газ).
- Возобновляемость. Неиссякаемый источник энергии (использование ~1% энергии земли способно покрыть всю потребность человечества в энергии).
- Высокая эффективность. На 1 кВт потребленной энергии (в основном в виде электричества, затрачиваемого на питание компрессора), тепловой насос, в зависимости от условий, способен выдать 4–5 кВт тепловой энергии.
Минусы геотермальной электроэнергетики
- Высокие капитальные затраты. Как на сам тепловой насос, так и на бурение скважин. Стоимость теплового насоса — от ₽250 тыс. Для сравнения: электрический котел стоит от ₽15 тыс., газовый котел для частного дома — от ₽60 тыс., не считая подводки газа до дома (что в отдельных случаях занимает годы, и может быть намного дороже всего геотермального проекта).
Иногда затраты на бурение скважин для первичного контура теплового насоса составляют более 50% от стоимости всего проекта. По данным Всемирного банка, стоимость проведения геологоразведочных работ и программы начального экспериментального бурения трех-пяти геотермальных скважин составляет от $20 до 30 млн.
-
Низкий КПД системы для традиционных батарей отопления. В случае, если необходимо получать высокую температуру во вторичном контуре, тепловые насосы показывают меньшую эффективность в сравнении с традиционными системами отопления. Таким образом, они лучше сочетаются с популярной сейчас системой отопления «теплый пол»: где требуется, чтобы теплоноситель имел температуру 45 ºС, чем с традиционными батареями, система которых требует, чтобы теплоноситель был 75 ºС.
- Недостаточно эффективны в холодном климате. Тепловые насосы более эффективны (показывают более высокий КПД) в условиях европейской зимы, нежели российской — с отрицательными температурами до −20 ºС, а в некоторых регионах и до −40 ºС.
В случае с тепловыми насосами КПД тем выше, чем меньше разница температур на входе в тепловой насос и на выходе из него. Например, при прочих равных условиях, сравним зиму в Париже и в Подмосковье. Температура воздуха в Париже зимой около -3 ºС, а температура земли +10 ºС, разница — 13 ºС. Зимой в Подмосковье температура воздуха, в среднем, -15 ºС, а температура почвы всего лишь +5 ºС, разница — 20 ºС. И если мы возьмем два одинаковых частных дома, на отопление которых потребуется скажем 12 кВт тепловой энергии в час, то в Париже нам нужно будет ставить менее мощную модель насоса, а значит компрессор будет потреблять меньше электричества, понадобится делать меньше скважин в земле, а значит длина труб и объем спиртового хладагента будет меньше, чем в России. Таким образом, при прочих равных условиях, затраты на получение 1 кВт тепловой энергии в РФ выше, чем в Европе. Но это не означает, что тепловые насосы нецелесообразно применять в РФ, просто капитальные вложения будут больше. Их целесообразно применять там, где нет возможности подвести газ.
Геотермальная энергия в других странах
По данным Всемирного банка, общемировой потенциал геотермальной энергетики составляет от 70 до 80 ГВт. Однако в настоящее время для производства электроэнергии в мире используется лишь 15% известных запасов геотермальной энергии, и суммарная мощность этих установок равна всего 13 ГВт.
Геотермальную энергию активно используют в США и Китае — эти страны сейчас бесспорные лидеры в данном направлении, но их уже догоняет Япония. Успешно используются геотермальные источники для получения энергии на Филиппинах, в Индонезии и Новой Зеландии.
США финансируют строительство геотермальной электростанции в Никарагуа, которая должна покрыть потребность страны в энергии на 20%. Отчасти успех геотермальных электростанций связан все же с более мягкими климатическими условиями в этих странах.
Но есть и пример Исландии — северной страны с суровым климатом. Первая в мире геотермальная электростанция, работающая в промышленных масштабах, была запущена именно там в 2014 году. Она построена на вулканическом кратере и получает энергию из магмы Земли (в этом месте магма подходит к поверхности максимально близко, температура там достигает сотни градусов по Цельсию). Поэтому скважины на этой станции не глубокие — всего 2 км.