Геотермальная энергия и горячие источники представляют собой обширный, недостаточно используемый резервуар чистой, возобновляемой энергии и тепла. Происходя из расплавленного ядра Земли и радиоактивного распада минералов, эта тепловая энергия использовалась людьми на протяжении тысячелетий - от древнеримских бань до современных электрических сетей. Сегодня геотермальные ресурсы обеспечивают надежный источник базовой нагрузки электроэнергии и прямого отопления, который может работать 24/7, независимо от погодных условий. С ростом глобальных энергетических потребностей и ужесточением климатических целей геотермальная энергия выделяется как стабильное, низкоуглеродное решение, которое может дополнять энергию ветра и солнца. В этой статье исследуется наука, стоящая за геотермальной энергией, природным явлением горячих источников и различными способами, которыми эти ресурсы используются для устойчивого развития.

Понимание геотермальной энергии

Геотермальная энергия - это тепло, хранящееся в земной коре. Внутренняя часть планеты достигает температуры более 5000 ° C (9000 ° F), и это тепло непрерывно течет наружу к поверхности. В большинстве мест этот градиент является постепенным, но в геологически активных областях - таких как границы тектонических плит, вулканические зоны и рифтовые области - тепло концентрируется ближе к поверхности, что делает его экономически жизнеспособным для извлечения.

Основным источником геотермального тепла является медленное распад радиоактивных изотопов урана, тория и калия в мантии и коре Земли. Дополнительное тепло исходит от первоначальной аккреции планеты. Геотермальные резервуары обычно находятся в пористых слоях горных пород, насыщенных водой, которая выступает в качестве среды для теплопередачи. Когда скважины просверливаются в эти резервуары, горячая вода и пар могут быть выведены на поверхность и использованы непосредственно или преобразованы в электричество.

Геотермальная энергия классифицируется как возобновляемый ресурс, поскольку выделяемое тепло непрерывно пополняется естественными процессами со скоростью, которая намного превышает потребление человека.Однако она не является неисчерпаемой в человеческом масштабе времени; устойчивое управление необходимо для предотвращения чрезмерного извлечения из конкретных резервуаров.

Горячие источники: геотермальные показатели природы

Горячие источники являются естественными источниками геотермальных подземных вод, которые нагревались подстилающей магмой или горячими породами до подъема на поверхность. Они часто встречаются в вулканических регионах, но также могут встречаться в районах с глубокими, горячими скальными образованиями и достаточной циркуляцией грунтовых вод. Температура горячих источников может варьироваться от теплого (чуть выше окружающей среды) до ошпаривания (кипения или перегрева).

Исторически горячие источники ценились для купания, релаксации и терапевтических целей. Считается, что богатые минералами воды, содержащие серу, кальций, магний и кремнезем, облегчают состояние кожи, артрит и стресс. Сегодня курорты и спа-центры с горячими источниками (известные как «балнеотерапия») являются основными туристическими достопримечательностями в таких странах, как Исландия, Япония, Новая Зеландия и Соединенные Штаты. Но помимо отдыха горячие источники служат видимыми подсказками к подземной геотермальной активности, направляя исследования для более крупных геотермальных энергетических проектов.

Как добывается геотермальная энергия

Геотермальная энергия может использоваться как для производства электроэнергии, так и для прямого нагрева.Выбранная технология зависит от температуры и глубины геотермального ресурса.

Геотермальные электростанции для генерации электроэнергии

Три основных типа геотермальных электростанций используются в коммерческих целях по всему миру:

  • Сухие паровые электростанции: Это самый старый тип, использующий пар непосредственно из геотермальных резервуаров для вращения турбин. Они редки, потому что требуют сухих паровых резервуаров, которые встречаются только в нескольких местах, таких как Гейзеры в Калифорнии и Лардерелло в Италии.
  • Станции парового флэша:] Наиболее распространенный тип, флэш-паровые установки извлекают горячую воду высокого давления из глубоких скважин. По мере того, как вода поднимается и падает, она «вспыхивает» в пар, который отделяется и используется для привода турбины. Оставшаяся вода вводится обратно в резервуар.
  • Электростанции с двойным циклом: Они работают с геотермальными жидкостями с более низкой температурой (обычно 100-180 °C). Горячая вода нагревает вторичную рабочую жидкость (например, изобутан или пентан) с более низкой точкой кипения, которая испаряется и приводит в движение турбину. Геотермальная жидкость и вторичная жидкость хранятся отдельно, что приводит к нулевым выбросам. Бинарные установки являются наиболее адаптируемым и экологически чистым типом.

По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), в 2023 году глобальные геотермальные мощности достигли более 15,8 ГВт, причем значительный вклад в них внесли США, Индонезия, Филиппины, Турция, Новая Зеландия и Кения.

Прямое использование геотермальной тепла

Приложения прямого использования используют геотермальное тепло без преобразования его в электричество. Эти приложения обычно требуют более низких температур (20-150 ° C) и могут быть высокоэффективными. Общие прямые применения включают:

  • Районное отопление:] Геотермальная горячая вода подается по трубопроводу через сеть для отопления нескольких зданий.Исландская система централизованного теплоснабжения Рейкьявика является всемирно известным примером, поставляя тепло более чем 90% домов города.
  • Теплые грунтовые воды или геотермальные тепловые насосы поддерживают тепличные почвы при оптимальных температурах, продлевая вегетационные периоды и улучшая урожайность. Это широко практикуется в Венгрии, Нидерландах и некоторых частях Китая.
  • Аквакультура: Нагретая вода поддерживает рыбоводство (например, тилапия, креветки) в холодном климате, повышая темпы роста и снижая затраты на отопление.
  • Промышленная обработка: Геотермальный пар и горячая вода используются в таких отраслях, как пищевая промышленность, пастеризация молока, целлюлоза и бумага, а также сушка пиломатериалов.
  • Таяние снега и обледенение:] В таких странах, как Исландия и Япония, геотермальная жара тает снег с дорог, тротуаров и взлетно-посадочных полос аэропортов, уменьшая потребность в химических обледенителях.
  • Балнеотерапия и спа: Горячие источники и геотермальные ванны используются для терапевтического расслабления, поддержки туризма и оздоровительной промышленности. Это многомиллиардный сектор во всем мире.

Экологические преимущества и проблемы

Геотермальная энергия широко рассматривается как один из наиболее экологически чистых возобновляемых источников энергии.

  • Низкие выбросы: Заводы двойного цикла по существу не выделяют парниковых газов. Заводы по производству флеш- и сухого пара выделяют некоторое количество углекислого газа и сероводорода, но на гораздо более низких уровнях, чем заводы по производству ископаемого топлива. В целом геотермальные электростанции выделяют около 5% CO2 установки природного газа на мегаватт-час.
  • Малый земельный след: Геотермальная установка требует гораздо меньше земли на мегаватт, чем солнечные или ветряные электростанции, и станция может быть построена постепенно.
  • Надежность базовой нагрузки: В отличие от солнечной и ветровой энергии, геотермальная энергия не является прерывистой. Растения могут работать при 90 %+ коэффициентах мощности, обеспечивая стабильную мощность сети.
  • Локальные экономические выгоды: Геотермальные проекты создают рабочие места в бурении, эксплуатации и техническом обслуживании, часто в сельских или отдаленных районах.

Однако геотермальное развитие не лишено проблем:

  • Ограничения на размещение: Большинство высокотемпературных ресурсов находятся в тектонически активных регионах, что ограничивает географическую доступность.Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) направлены на расширение доступа к районам без естественных гидротермальных резервуаров.
  • Предварительные затраты: Разведка и бурение могут быть дорогостоящими, с высоким финансовым риском, если скважины не смогут найти адекватные ресурсы.
  • Привлеченная сейсмичность: В некоторых проектах EGS закачка воды под высоким давлением может вызвать небольшие землетрясения, требующие тщательного мониторинга и смягчения последствий.
  • Использование воды и химический разряд: Некоторые геотермальные жидкости содержат растворенные минералы и тяжелые металлы, которые должны быть повторно впрыснуты или безопасно утилизированы для предотвращения загрязнения окружающей среды.
  • Исчерпание ресурсов: Чрезмерное извлечение из геотермального резервуара может привести к снижению давления и температуры, хотя повторное впрыскивание отработанных жидкостей может поддерживать жизнь резервуара.

Известные геотермальные регионы и горячие источники

Во всем мире несколько стран лидируют в производстве геотермальной энергии и использовании горячих источников:

  • Исландия: Геотермальная энергия обеспечивает около 30% электроэнергии страны и нагревает более 90% домов. Знаменитая Голубая лагуна — геотермальный спа-центр, питаемый стоком от электростанции Сварценги. Исландия также использует геотермальное тепло для тепличных и рыбных хозяйств.
  • Соединённые Штаты: Гейзеры в Калифорнии — крупнейшее геотермальное поле в мире, с установленной мощностью более 1500 МВт. Другие значительные объекты встречаются в Неваде, Юте, Орегоне и на Гавайях. Горячие весенние курорты в Колорадо, Монтане и Аппалачском регионе ежегодно привлекают миллионы туристов.
  • Индонезия: Страна находится на Тихоокеанском огненном кольце и обладает крупнейшим в мире геотермальным потенциалом, с предполагаемой мощностью 29 ГВт. По состоянию на 2023 год она установила около 2,4 ГВт, с амбициозными планами по расширению. Горячие источники, такие как источники Белиранг на Суматре, используются для туризма и мелкомасштабной выработки электроэнергии.
  • Япония: Япония может похвастаться тысячами горячих источников (онсен), используемых для купания и спа-терапии на протяжении веков. Страна также генерирует геотермальное электричество, но развитие было медленным из-за культурных и нормативных барьеров, защищающих традиции онсен. Недавнее законодательство направлено на ускорение геотермального при сохранении доступа к горячим источникам.
  • Кения: В рифтовой долине Кении установлена более 950 МВт, в основном из Олькарии. Геотермальная электроэнергия в настоящее время составляет почти 50% энергии страны. В регионе также есть горячие источники, используемые для туризма и местного отопления.

Новые технологии: улучшенные геотермальные системы (EGS)

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) — также называемые инженерными геотермальными системами — являются многообещающим рубежом для расширения геотермальной энергии в невулканические регионы. В EGS инженеры создают искусственные резервуары, вводя воду под высоким давлением в горячие, сухие горные образования глубоко под землей. Вода разрушает скалу, создавая пути, которые позволяют циркуляцию и рекуперацию тепла. Нагретая вода затем извлекается из производственных скважин.

EGS может открыть огромные геотермальные ресурсы по всему миру, при этом Министерство энергетики США оценивает, что EGS может обеспечить более 100 ГВт чистой энергии к 2050 году. В США (например, FORGE в Юте), Австралии (например, бассейн Купера) и Европе (например, Soultz-sous-Forêts во Франции) осуществляется несколько пилотных проектов. Сохраняются серьезные технические проблемы, особенно в области контроля индуцированной сейсмичности и снижения затрат на бурение.

Геотермальные тепловые насосы: доступные низкотемпературные системы

Геотермальные тепловые насосы (ГТП), также известные как наземные тепловые насосы, являются широко доступным способом использования стабильной неглубокой температуры Земли (обычно 10-16 °C) для отопления и охлаждения. ГТП состоят из петли труб, зарытых в землю или погруженных в водоем, в сочетании с тепловым насосом и системой подачи воздуха. Зимой система извлекает тепло из земли и передает его в здание; летом она переворачивает, сбрасывая тепло из здания в более холодную землю.

ПГП являются высокоэффективными — они могут поставлять от 3 до 5 единиц тепла для каждой используемой единицы электроэнергии. Они подходят практически для любого места, а не только для вулканических регионов, и могут быть установлены в жилых, коммерческих и институциональных зданиях. По данным Управления энергетической информации США, только в Соединенных Штатах эксплуатируется более 1 миллиона геотермальных тепловых насосов, и их использование растет, поскольку правительства предлагают стимулы для низкоуглеродных строительных систем.

Горячие источники, бальнеотерапия и оздоровительный туризм

Горячие источники давно лелеются за их лечебные свойства. Термин «бальнеотерапия» относится к лечению заболеваний купанием в минеральных источниках. Научные исследования показали, что термальные минеральные воды могут улучшить кровообращение, снять мышечное напряжение и принести пользу пациентам с остеоартритом, ревматизмом и некоторыми состояниями кожи. Тепло, плавучесть и химический состав способствуют воздействию на здоровье.

Индустрия оздоровительного туризма, построенная вокруг горячих источников, создает значительную экономическую ценность. Такие направления, как Бат (Великобритания), Баден-Баден (Германия), Беппу и Хаконе (Япония), Роторуа (Новая Зеландия) и Голубая лагуна (Исландия) привлекают миллионы посетителей ежегодно. Многие современные курорты сочетают купание в горячих источниках с другими оздоровительными услугами, создавая роскошный опыт, который может взимать премиальные цены. Этот доход от туризма часто помогает финансировать местное геотермальное развитие и сохранение.

Политика и экономические соображения

Развитие геотермальной энергетики является капиталоемким, но эксплуатационные расходы низки после строительства заводов. Государственная политика играет решающую роль в поддержке развития. Ключевые инструменты политики включают:

  • Тарифы и премии на питание: Гарантированные цены на геотермальную электроэнергию снижают риск для инвесторов. Кения, Турция и Филиппины эффективно использовали тарифы на питание.
  • Налоговые стимулы и гранты: Многие страны предлагают инвестиционные налоговые кредиты или прямые гранты на разведку и бурение, которые являются наиболее рискованными этапами.
  • Стандарты портфеля возобновляемых источников энергии: Такие штаты, как Калифорния и Гавайи, требуют, чтобы коммунальные службы получали определенный процент электроэнергии из возобновляемых источников, стимулируя геотермальное развитие.
  • Программы смягчения рисков: Офис геотермальных технологий Министерства энергетики США финансировал демонстрации бурения и программы оценки ресурсов. Международное сотрудничество через Международную геотермальную ассоциацию (IGA) и Глобальный геотермальный альянс помогает обмениваться знаниями и сокращать расходы.

Экономическая жизнеспособность зависит от температуры резервуара, глубины и местных цен на энергию. Уравновешенная стоимость электроэнергии (LCOE) для геотермальной энергии конкурентоспособна с гидро- и биомассой, но обычно выше, чем ветровая и солнечная в благоприятных местах. Однако, когда оценивается мощность базовой нагрузки и стабильность сети, геотермальная энергия становится очень привлекательной инвестицией.

Будущее геотермальной энергии и горячих источников

По мере перехода мира к низкоуглеродной энергетической системе геотермальная энергия готова к значительному росту. Достижения в технологии бурения, такие как направленное бурение, скважины с тонкой скважиной и компактные биты поликристаллических алмазов, снижают затраты. Между тем, R&D в сверхкритической геотермальной (нарезка чрезвычайно горячих жидкостей высокого давления) может увеличить выходную мощность на скважину.

Горячие источники будут по-прежнему иметь важное значение для туризма и оздоровления, но они также служат мостом к общественному принятию геотермальной энергии.В Японии, например, усилия по балансированию защиты онсена с развитием электростанций привели к инновационным решениям, таким как каскадное использование: использование высокотемпературных жидкостей для выработки электроэнергии, а затем распределение низкотемпературного разряда в горячие родниковые ванны.

Геотермальная энергия и горячие источники вместе представляют собой гармоничный пример использования естественного тепла Земли. Будь то для базовой нагрузки, эффективного отопления или терапевтического расслабления, эти устойчивые ресурсы будут играть все более важную роль в более чистом, более устойчивом энергетическом будущем.

Дополнительные ресурсы

Для дальнейшего чтения рассмотрите эти авторитетные источники: