Загальні відомості

Вираз “геотермальна енергія” буквально означає, що це енергія тепла Землі („гео” - земля, „термальна” - теплова). Основним джерелом цієї енергії є постійний потік тепла з розжарених надр, направлений до поверхні Землі.

Земна кора одержує тепло в результаті тертя ядра, радіоактивного розпаду елементів (подібно до торію та урану), хімічних реакцій. Постійні часу цих процесів настільки великі стосовно часу існування Землі, що неможливо навіть оцінити, чи збільшується температура її чи зменшується.

Запаси геотермальної теплоти становлять приблизно

ЗО

8-10 Дж/рік, ця кількість приблизно перевищує річне споживання енергії в усьому світі в 35 млрд разів. Якби можна було використовувати всього 1 % геотермальної енергії земної кори (глибина - 10 км), людство мало б у своєму розпорядженні кількість енергії, яка в 500 разів перевищувала б усі світові запаси нафти та газу. Теоретичні ресурси геотермальної енергії на Землі до глибини Зкм приблизно становлять 41000 млрд ТДж/рік. У межах глибини 5 км теоретичні ресурси в 3-4 разів більше (близько 140000 млрд ТДж/рік), що характеризує геотермальні ресурси як практично невичерпні. Якщо людство буде використовувати тільки одну геотермальну енергію, пройде 41 млн років, перш ніж температура надр Землі знизиться на півградуса.

Під дією геотермального тепла розплавляються гірські породи під земною корою, перетворюючи їх на магму (яку ми можемо іноді бачити на поверхні у вигляді лави).

Основна частина магми залишається під землею і, подібно до печі, нагріває породу навколо. Коли підземні води стикаються із цим теплом, вони значно нагріваються, переходячи в багатьох випадках у пароподібний стан при високому тиску. У деяких місцях, особливо по краях тектонічних плит материків, а також у так званих “гарячих точках” теплота підходить так близько до поверхні, що її можливо добувати за допомогою геотермальних свердловин.

Поверхня Землі складається з 12 окремих тектонічних плит - величезних платформ земної кори, які постійно дуже повільно рухаються.

Найбільш багатими геотермальними ресурсами є зони, де стикаються тектонічні плити, в місцях розлому літосферних плит і в місцях високої геологічної активності. До числа таких районів відносять: Тихоокеанське Вогненне Кільце (яке охоплює

тихоокеанське узбережжя Північної і Латинської Америки, Нову Зеландію, ряд островів Океанії та Південно-Східну Азію, Японію, Курильські острови і Камчатку), Альпійсько-Гімалайське гірське пасмо, Центральну Азію, Східну Африку, район Червоного моря і Центрально-Атлантичний риф із виходом в Ісландії (рисунок 4.5.1).

Рисунок 4.5.1 - Географічне розподілення ресурсів геотермальної енергії

Середня густина теплового геотермального потоку через земну поверхню становить приблизно 0,06-0,065 Вт/м при геотермічному градієнті менше ЗО °С/км (в 2-4 тисяч разів менша за сонячну радіацію). Отже, теплота земних надр у вигляді теплових потоків, які передаються шляхом теплопровідності, не має суттєвого практичного значення. Однак мають місце райони з підвищеним геотермічним градієнтом у десятки разів, де потоки перевищують 0,5 Вт/м, що становлять найбільший інтерес для розвитку геотермальної енергетики.

Значення геотермічних градієнтів для різних частин земної кулі різні. Найбільший геотермічний градієнт, який дорівнює 150 °С/км, зафіксовано в Бананці (штат Орегон, США), йому відповідає геотермічний ступінь, що становить 6,6 м/°С; це зона молодої вулканічної діяльності. Найменший геотермічний градієнт, який дорівнює 6 °С/км, зареєстровано у Вітватерсранді (Південна Африка), ця зона розташована на стародавньому щиті з кристалічних порід.

Таким чином, проявом геотермальної теплоти, що має практичне значення, є запаси гарячої води та пари в підземних резервуарах на відносно невеликих глибинах та гейзери, що виходять на поверхню.

Г еотермальний резервуар є насправді масою породи, що розтріскалася в земній корі й насичена гарячою водою чи парою, при цьому перший тип є найбільш поширеним. Щоб добути воду чи пару на поверхню, в резервуари, розміри яких досягають від кількох тисяч кубічних метрів до кількох кубічних кілометрів, бурять свердловини. Якщо вода достатньо гаряча і під тиском, вона піднімається на поверхню природним шляхом, при більш низькій температурі може знадобитися насос.

Розрізняють п’ять основних типів геотермальної енергії:

- нормальне поверхневе тепло Землі на глибині в декілька десятків-сотень метрів;

- гідротермальні системи, тобто резервуари гарячої чи теплої води, в більшості випадків самовиливної;

- парогідротермальні системи - родовища пари і самовиливної пароводяної суміші;

- петрогеотермальні зони або тепло сухих гірських порід (зони, що мають на доступних глибинах нагріті до достатньо високих температур малообводнені і малопроникаючі гірські породи);

- магма (нагріті до 1300 °С розплавлені гірські породи).

Серед родовищ глибинної теплоти Землі існують термоаномальні зони, які являють собою родовища теплоти, що мають підвищений геотермічний градієнт у водонасичених проникних гірських породах.

Г алузь застосування та ефективність використання геотермальних енергоресурсів того або іншого родовища залежать від їхнього енергетичного потенціалу, загального запасу і дебіту свердловин, хімічного складу, мінералізації та агресивності вод, температурного і гідравлічного режимів свердловин, глибини залягання водоносних шарів та їхньої характеристики, наявності споживача і його віддаленості, а також від ряду інших факторів.

Геотермальні води класифікують за температурою, кислотністю, рівнем мінералізації, жорсткістю.

Основним показником придатності геотермальних джерел для використання в теплоенергетиці є їх природна температура, при якій енергоносії поділяються на:

- низькотермальні (або низькопотенціальні) води з температурою 40-70 °С, використання яких без підігрівання обмежене сільськогосподарським виробництвом, теплопостачанням та, в окремих випадках, гарячим водопостачанням малих населених пунктів;

- середньотермальні (або середньопотенціальні) води з температурою 70-100 °С, застосування яких можливе для опалення та гарячого водопостачання населених пунктів, промислових та сільськогосподарських виробництв тощо;

- високотермальні (високопотенціальні) води і пари з температурою 100-150 °С, використання яких, окрім вищезазначеного, можливе для отримання електричної енергії на геотермальних електростанціях;

- парогідротерми і флюїди з температурою вище 150 °С, застосування яких ефективне для отримання електричної енергії, а відпрацьованих вод - у вищенаведених галузях.

Придатність термальних вод для тієї або іншої сфери застосування в народному господарстві ілюструється таблицею 4.5.1

т.

Таблиця 4.5.1	- Сфера застосування термальних вод
Температура термальної води, °С	Сфера застосування
37-50	Бальнеологія
50-70	Дрібномасштабна теплофікація, гаряче водопостачання, технологічне використання води
70-120	Крупномасштабна теплофікація (міста і великі сільськогосподарські об’єкти) комплексне багатоцільове використання вод у міру вироблення теплового потенціалу
120-170	“Мала” електроенергетика з використанням низько киплячих робочих рідин типу фреону, аміаку, ізобутану тощо
170-220	“Середня” електроенергетика з прямим використанням пароводяної суміші

Велика’’ електроенергетика на природній сухій парі

Близько 88 % ресурсів геотермальної енергії світу мають температуру нижче 100 °С, 9 % - з температурою 100-150 °С. Вклад ресурсів більш високого потенціалу становлять: 2,7 % з

температурою 150-200 °С і всього 0,16 % з температурою більше 350 °С. Однак температурний рівень навіть цих ресурсів дуже низький, що є головною причиною низької енергетичної ефективності геотермальних електростанцій, ККД яких звичайно дорівнює 10-20 %.

За рівнем мінералізації геотермальні води поділяються на:

- прісні води, вміст солей у яких не перевищує 1 г/л;

- води малої мінералізації - 1-5 г/л, можливо підігрів такої води у звичайних паливних котельнях з використанням для опалення і гарячого водопостачання;

- води середньої мінералізації - 5-35 г/л, можна використовувати у звичайних радіаторних опалювальних приладах при температурах термальних вод не нижче 75-90 °С;

- води високої мінералізації - більше 35 г/л, використання енергії термальних вод можливе лише при використанні проміжних або магістральних теплообмінників.

За рівнем жорсткості термальні води поділяються на:

- нежорсткі з жорсткістю до 2,8 мг-екв/л;

- жорсткі з показником жорсткості 2,8-11,7 мг-екв/л;

-високої жорсткості з показником жорсткості більше 11,7 мг-

екв/л.

За газовим складом геотермальні води поділяються на агресивні (вуглекислі, сірководневі) та нейтральні (азотні, метанові).

За ступенем водовіддачі геотермальні свердловини поділяються

на:

- малодебітні - з відбором води менше 0,005 м/с;

З

- середньодебітні - 0,005-0,02 м /с;

- високо дебітні - 0,02м/сі більше.

Експлуатація геотермальних джерел повинна базуватися на попередньому геологічному дослідженні, щоб уникнути значного фінансового ризику за умови подальшого вкладення капітальних витрат. Для того щоб визначити, чи має визначена місцевість потенціал постачання геотермальної теплоти для промислових і

побутових потреб, необхідний попередній пошук, що є ризикованим, але необхідним. Ця особливість - одна з головних відмінностей геотермальної енергії від інших поновлювальних джерел енергії.

Промислове освоєння геотермальних ресурсів (енергії гарячих глибинних вод і пари) розпочалося на початку XX ст., коли в Італії була введена в експлуатацію перша геотермальна електростанція потужністю 7,5 МВт.