Какие источники возобновляемой энергии у всех на слуху? Во-первых, это конечно же, солнечные электростанции. Во-вторых, это ветряные электростанции. В-третьих, различные гидроэлектростанции.
Однако, есть ещё один источник чистой энергии и он, поистине неисчерпаем. Это использование тепловой энергии недр нашей планеты. Ведь внутри нашей планеты находится ядро, температура которого превышает 6000 °C. Это же просто огромный запас энергии у нас под ногами!
Почему же этот источник энергии так мало используется?
Разумеется, что для использования энергии возобновляемых источников требуется вкладывать немалые суммы и менять уже существующую инфраструктуру. В некоторых случаях это оказывается неэффективно. К тому же эти «чистые» источники могут крайне негативно воздействовать на окружающую среду.
Рассмотрим для примера использование ветряных генераторов. Для их работы не требуется сжигать топливо, а значит, и выбросы в окружающую среду отсутствуют. Однако, они зависимы от силы ветра, требуют постоянного обслуживания и соответствующей инфраструктуры.
Также при работе таких генераторов массово гибнут птицы и летучие мыши. Кроме того, вибрация и инфразвук отрицательно влияют на различных грызунов, живущих в земле — кротов, мышей, ежей. Эти животные не выносят его и стараются держаться от ветрогенераторов подальше, что приводит к размножению различных вредителей.
Геотермальные источники энергии более стабильны, но также могут оказывать негативное влияние на экологическую обстановку. Ведь в подземных водах содержится большое количество различных токсичных соединений. Это требует оборудования специальных очистных станций, ведь просто так сбрасывать подземные воды нельзя. При этом высокое содержание минеральных солей в подземных водах способствует быстрому разрушению трубопроводов.
Для геотермальной энергетики также нужны подходящие условия. Это, конечно же, места выхода на поверхность геотермальных вод, имеющих достаточную температуру для эффективной работы электростанции. Поэтому крупные электростанции располагают в местах повышенного вулканизма, где места выхода геотермальных вод расположены вблизи поверхности земли.
В качестве примера можно вспомнить Исландию. В самом начале ХХ века она считалась одной из самых бедных европейских стран. Электроэнергия вырабатывалась путём сжигания угля, торфа и нефти. При этом под ногами у жителей страны был неисчерпаемый и бесплатный источник энергии. Это геотермические источники.
Как говорится: «Не было бы счастья, да несчастье помогло». О пересмотре энергетической стратегии и об использовании геотермических источников, жители задумались благодаря топливным кризисам, которые разразились в 70-х годах ХХ века.
От геотермальных источников Исландия получает около 20% всего электричества и полностью обеспечивает свои потребности в горячей воде и отоплении. Это позволило существенно сэкономить.
Удачное географическое расположение Исландии непосредственно на Атлантическом разломе позволяет получить горячую воду или пар без особых усилий. Для этого нужно всего лишь пробурить неглубокую скважину в земле.
Принцип работы классической ГЕОТЭС
Рассмотрим кратко, как же работает классическая геотермальная электростанция (ГЕОТЭС).
Источником энергии для неё служит пароводяная смесь, которая имеет высокую температуру и поступает из подземных резервуаров через скважину.
После поступления эта смесь направляется на сепараторы, где происходит разделение на пар и газ. Пар поступает в турбину, которая вырабатывает электроэнергию.
Затем пар остывает и превращается в воду. Вода возвращается в подземный резервуар через другую или ту же самую скважину.
Принцип работы ГЕОТЭС бинарного типа
Существуют и геотермальные электростанции бинарного типа, использующие органический цикл Ренкина. В таких электростанциях пароводяная смесь не поступает сразу в турбину. Вместо этого смесь поступает в теплообменник для нагрева другой жидкости. Часто такой рабочей жидкостью служит изопентан, который быстро закипает, превращается в газ и поступает в турбину.
Преимуществом таких станций является возможность их применения в местах с более низкой температурой подземных вод. Однако, необходимость закачивания отработанных вод в подземные резервуары может потребовать более половины вырабатываемой энергии. Это серьёзно ограничивает возможность широкого применения геотермальных источников.
Получается что воспользоваться энергией земных недр, могут только такие счастливчики, как Исландия? Оказывается есть решение такой ситуации.
Eavor
Выход предлагает стартап Eavor. Компания была основана в 2017 году. Технологии этой начинающей энергетической компании позволяют создавать масштабируемые и полностью управляемые электростанции.
В их основе лежит революционное решение — две вертикальные скважины соединяются под землёй при помощи нескольких горизонтальных скважин. На поверхности скважины также соединяются между собой при помощи горизонтальных труб, к которым подключён теплообменник.
В итоге получаем замкнутую систему, которая решает вопрос паразитной нагрузки. Холодная жидкость будет обладать большей плотностью, чем горячая жидкость. Поэтому жидкость, подчиняясь законам термодинамики, будет двигаться самостоятельно внутри замкнутой системы.
Конечно, такая система нуждается во внешнем источнике энергии — тепле внутренних слоёв нашей планеты. Однако, получить такой источник не составит большого труда. Если начать бурить скважину в любой точке Земли, то температура будет повышаться на 30 °C с каждым пройденным километром, а в районах с высокой вулканической активностью этот показатель может составлять даже более 60 °C.
В итоге получаем, что на глубине от 3 до 5 км, что является вполне обычным для нефтегазовой промышленности температура, может достигать сотни градусов по Цельсию.
Рабочий образец системы представляет собой две вертикальные скважины. Под землёй они соединяются при помощи нескольких горизонтальных скважин, которые расходятся в разные стороны и затем, соединяются в одной точке. Это позволяет увеличить мощность установки.
В скважинах проложены трубопроводы, в которых циркулирует специальная жидкость. Далее, всё просто. Нагреваясь от пород или от пароводяной смеси, находящейся в естественных подземных резервуарах, жидкость поднимается наверх.
На поверхности земли жидкость попадает в теплообменник, где отдаёт своё тепло другой рабочей жидкости. Далее, от высокой температуры, рабочая жидкость превращается в пар и вращает турбину.
При помощи воздушного охладителя рабочая жидкость охлаждается и снова попадает в теплообменник, где нагревается горячей жидкостью. При помощи клапана можно регулировать скорость движения жидкости, а значит, и управлять работой электростанции.
Уже построен рабочий прототип Eavor-Lite. Его постройка началась 2 августа 2019 года в Канаде, в провинции Альберта. Уже 16 сентября 2019 года бурение двух вертикальных скважин глубиной два с половиной километра и горизонтальных скважин, длиной около двух километров было закончено.
Объект был введён в эксплуатацию 3 декабря 2019 года, а на следующий день, объект был переведён в термосифонный режим. Всё это время показатели остаются стабильными.
Технология является масштабируемой, и компания занимается поиском мест для строительства других электростанций. Причём компания старается выбирать неудавшиеся геотермальные скважины, что также позволяет снизить затраты.
В немецком городе Герецрайт проект уже близок к завершению. Также уже объявлено о начале строительства станции на северо-западе США, где будет оборудована ультраглубокая скважина. НА этом примере, компания хочет доказать работоспособность и эффективность системы.
Заключение
На сегодняшний день геотермальная энергия занимает всего лишь небольшую долю среди всех видов возобновляемой энергии. Однако, потенциально она могла бы занять ведущие позиции. Ведь сами источники геотермальной энергии доступны постоянно, а её выработку можно контролировать.
Современные геотермальные электростанции не требуют больших территорий, не производят шума, а их жизненный цикл может достигать сотню лет. Разработки в этом направлении уже активно ведутся и через некоторое время, мы надеемся увидеть и другие революционные разработки, которые будут способствовать повсеместной установке геотермальных электростанций.