Принципы использования геотермальной энергии для выработки электричества и отопления жилых зданий промышленных объектов городов и посёлков

Геотермальная энергия использует тепло недр земли возникающее от распада радиоактивных элементов в ядре планеты и остаточного тепла от формирования земной коры миллиарды лет назад. Глубинные температуры возрастают в среднем на три градуса на каждые сто метров погружения в скважину достигая нескольких сотен градусов на доступной для бурения глубине. Источники геотермальной энергии классифицируются на гидротермальные системы с естественным выходом горячей воды на поверхность и петротермальные системы где тепло извлекается из сухих горных пород.

Паровые электростанции используют пар высокого давления из скважин глубиной до трёх километров для прямого вращения турбин генераторов без промежуточного теплообменника. Такие станции строятся в районах с активными гейзерами где температура пара достигает ста восьмидесяти градусов Цельсия при давлении достаточном для промышленной выработки электроэнергии. Коэффициент полезного действия бинарных электростанций ниже паровых но они могут работать при температуре теплоносителя от восьмидесяти до ста пятидесяти градусов.

Бинарные геотермальные станции используют тепло горячей воды для нагрева легкокипящей рабочей жидкости которая испаряясь вращает турбину генератора по замкнутому циклу без контакта с геотермальным флюидом содержащим агрессивные соли и газы. Рабочие жидкости на основе изобутана или аммиака имеют низкую температуру кипения что позволяет использовать тепло воды температурой всего семьдесят пять градусов. После конденсации в воздушном или водяном охладителе рабочая жидкость снова направляется в испаритель для повторного цикла преобразования энергии.

Геотермальные тепловые насосы для отопления зданий используют низкопотенциальное тепло грунта на глубине до двухсот метров где температура стабильна круглый год плюс плюс восемь плюс двенадцать градусов. Зимой теплоноситель забирает тепло из земли отдавая его в систему отопления дома через тепловой насос повышающий температуру до требуемых сорока пяти градусов. Летом процесс обращается тепловой насос отводит избыточное тепло из дома обратно в грунт восстанавливая его температурный потенциал к следующему отопительному сезону.

Закрытые геотермальные контуры представляют собой трубы из сшитого полиэтилена с антифризом залитые в вертикальные скважины или уложенные горизонтально на глубине ниже промерзания грунта. Вертикальные зонды занимают меньше площади на поверхности но требуют дорогостоящего бурения глубоких скважин с установкой труб и высокопрочного раствора. Горизонтальные коллекторы дешевле в монтаже на этапе строительства дома но требуют большой свободной площади огорода и неэффективны при промерзании грунта в малоснежные зимы.

Прямое использование геотермальной воды из скважин для отопления теплиц и рыбоводных хозяйств распространено в регионах с выходом горячей воды на поверхность. В Исландии геотермальная вода подаётся в радиаторы отопления жилых домов и промышленных зданий без использования тепловых насосов и дополнительного нагрева. После прохождения системы отопления остывшая вода закачивается обратно в пласт через нагнетательные скважины для поддержания давления и предотвращения оседания грунта.

Экологические преимущества геотермальной энергии включают отсутствие выбросов углекислого газа в атмосферу при работе бинарных станций и тепловых насосов. Парогидротермальные станции могут выделять сероводород и другие газы растворённые в геотермальном флюиде при выходе на поверхность земли. Современные системы очистки улавливают до девяноста девяти процентов вредных примесей перед выбросом в атмосферу или закачкой обратно в пласт с утилизацией осадка.

Экономическая эффективность геотермальных проектов зависит от глубины залегания теплового ресурса и температуры теплоносителя на устье скважины первой линии. Высокие начальные капитальные затраты на бурение скважин и строительство станции окупаются низкой стоимостью последующей эксплуатации без закупки топлива. Геотермальные электростанции могут работать в базовом режиме с коэффициентом использования установленной мощности более девяноста процентов выше чем у солнечных и ветряных аналогов.

Риски при разработке геотермальных месторождений связаны с истощением теплового ресурса при превышении скорости отбора воды над скоростью естественного восполнения пласта. Закачка отработанной воды обратно в пласт поддерживает давление и продлевает срок службы месторождения до сотни лет непрерывной работы станции. Индуцированная сейсмичность микроземлетрясения может возникать при закачке больших объёмов воды в сухие горные породы создавая трещины для циркуляции теплоносителя.

Применение геотермальной энергии в России ограничено удалённостью месторождений от потребителей и суровым климатом затрудняющим бурение в зимний период. Камчатка и Курильские острова имеют высокий потенциал для строительства геотермальных станций в зоне активного вулканизма где температура пород на глубине достигает критических значений. Тепло земли может использоваться для электроснабжения изолированных посёлков и промышленных объектов на Крайнем Севере без завоза дорогого дизельного топлива.

Геотермальные станции занимают малую площадь на поверхности по сравнению с солнечными панелями или ветряными фермами аналогичной мощности. Скважины и здания станции размещаются на нескольких гектарах земли позволяя использовать остальную территорию для выпаса скота или сельского хозяйства. Внешний вид геотермальной станции может быть вписан в ландшафт без создания визуального загрязнения для туристического бизнеса.

Срок службы геотермальной электростанции достигает пятидесяти лет с периодической заменой турбин и генераторов выработавших ресурс. Скважины могут эксплуатироваться десятилетиями с периодической очисткой от отложений солей или кислотной обработкой призабойной зоны. Высокая надёжность геотермальных станций делает их основой для децентрализованного энергоснабжения удалённых территорий с заменой контейнер дизеля аккумуляторных систем.