The use of geothermal energy for heating and electricity supply

UDC 620.92
Publication date: 03.01.2025
International Journal of Professional Science №1(2)-25

The use of geothermal energy for heating and electricity supply

Использование геотермальной энергии для отопления и электроснабжения

Nashuk Dmitriy Sergeevich,
Nechitailov Vasily Vasilyevich,
1. Student of the Department of Heat Power Installations and Heat Engines,
St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design.
Higher School of Technology and Energy
2. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of heat power installations and heat engines,
St. Petersburg State University of Industrial Technologies and Design.
Higher School of Technology and Energy


Нашук Дмитрий Сергеевич,
Нечитайлов Василий Васильевич
1. Студент кафедры теплосиловых установок и тепловых двигателей,
Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики
2. Канд. техн. наук,
доцент кафедры теплосиловых установок и тепловых двигателей,
Санкт-Петербургский государственный университет промышленных
технологий и дизайна. Высшая школа технологии и энергетики
Аннотация: В работе рассмотрены различные типы геотермальных ресурсов, включая гидротермальные системы, системы с сухими горячими породами, и мелкозалегающие геотермальные ресурсы, а также технологии их использования: прямые паровые станции, бинарные циклы, системы сухих горячих пород, прямое использование тепла и геотермальные тепловые насосы.

Abstract: The paper considers various types of geothermal resources, including hydrothermal systems, systems with dry hot rocks, and shallow-lying geothermal resources, as well as technologies for their use: direct steam plants, binary cycles, dry hot rock systems, direct heat use, and geothermal heat pumps.
Ключевые слова: геотермальная энергия, устойчивая энергетика, энергетические ресурсы, гидротермальные системы.

Keywords: geothermal energy, sustainable energy, energy resources, hydrothermal systems.


В современном мире, где энергетические потребности неуклонно растут, а вопросы охраны окружающей среды выходят на первый план, поиск устойчивых и экологически чистых источников энергии становится одной из наиболее актуальных задач. Геотермальная энергия, воплощающая в себе тепловую мощь, заключенную в недрах нашей планеты, представляет собой уникальный ресурс, способный обеспечить как надежное отопление, так и стабильное электроснабжение [1]. В отличие от таких возобновляемых источников, как солнечная или ветровая энергия, чья доступность напрямую зависит от погодных условий и времени суток, геотермальная энергия является постоянным и предсказуемым источником, не подверженным влиянию атмосферных капризов. Это делает её особо привлекательной для долгосрочного планирования энергетической инфраструктуры, снижения зависимости от ископаемого топлива и обеспечения энергетической безопасности. Более того, геотермальная энергия, используя природное тепло Земли, не производит выбросов парниковых газов при использовании, способствуя снижению углеродного следа. В данной статье мы совершим путешествие в мир геотермальной энергии, рассмотрим её разнообразные виды и технологии использования, детально проанализируем её потенциал и ограничения, а также обсудим перспективную роль этого возобновляемого ресурса в формировании будущего энергетического ландшафта.

Геотермальная энергия не является однородным понятием, она проявляется в различных формах, каждая из которых требует применения специальных технологий для извлечения и преобразования. Глубоко в недрах Земли скрываются разнообразные тепловые резервуары, которые можно классифицировать на три основных вида: гидротермальные системы, геотермальные системы с сухими горячими породами и мелкозалегающие геотермальные ресурсы (Табл. 1). Гидротермальные системы представляют собой наиболее распространенный вид геотермальной энергии. Они состоят из подземных резервуаров, наполненных горячей водой и паром. Температура и давление в этих резервуарах могут существенно варьироваться, что определяет способы их использования. Высокотемпературные гидротермальные системы, с температурой более 150°C, могут использоваться для прямого производства электроэнергии с помощью паровых турбин. Более низкотемпературные ресурсы, с температурой ниже 150°C, могут использоваться в бинарных циклах для производства электроэнергии или для прямого отопления [2]. Геотермальные системы с сухими горячими породами, представляют собой более сложный тип геотермальных ресурсов. В этом случае, горячие горные породы находятся на значительной глубине, но не содержат достаточного количества воды. Для использования таких ресурсов в породы закачивают воду, которая нагревается, циркулируя в горных породах, а затем извлекается на поверхность в виде пара или горячей воды. Такая технология позволяет значительно расширить географию использования геотермальной энергии, делая доступными ресурсы, которые ранее считались непригодными для эксплуатации. Мелкозалегающие геотермальные ресурсы, в свою очередь, представляют собой тепло, находящееся на относительно небольшой глубине. Это тепло, как правило, имеет относительно низкую температуру, но может эффективно использоваться с помощью тепловых насосов для отопления и охлаждения зданий.

Таблица 1

Классификация геотермальных резервуаров

Тип геотермального ресурса Температура (°C) Глубина залегания Особенности Основные области применения
Высокотемпературные гидротермальные > 150 1 — 3 км Содержат пар высокого давления, требуются активные тектонические зоны Производство электроэнергии (прямое использование пара), промышленное теплоснабжение
Низкотемпературные гидротермальные <150 1 — 5 км Содержат горячую воду, требуют эффективного теплообменного оборудования Производство электроэнергии (бинарные циклы), прямое теплоснабжение (отопление и горячее водоснабжение)
Сухие горячие породы 150 — 300 3 — 10 км Требуют искусственной стимуляции (инжекция воды), большие глубины Производство электроэнергии
Мелкозалегающие геотермальные < 50 — 100 < 0.5 км Тепло грунта и грунтовых вод, доступно повсеместно Геотермальные тепловые насосы для отопления и охлаждения зданий, небольшие промышленные объекты

Использование геотермальной энергии требует применения различных технологий, адаптированных к конкретным характеристикам ресурсов (Табл. 2). Для производства электроэнергии наиболее широко используются паровые турбины, бинарные циклы и технологии сухих горячих пород, в то время как для отопления и охлаждения применяются системы прямого использования тепла и геотермальные тепловые насосы. Прямое использование пара подразумевает направление сухого пара, полученного из высокотемпературных гидротермальных систем, непосредственно на паровую турбину, которая, вращаясь, приводит в действие генератор, вырабатывающий электроэнергию. Этот метод является простым и эффективным, но применим только для ресурсов, которые производят сухой пар высокого давления. Бинарный цикл используется для низкотемпературных гидротермальных ресурсов, где геотермальная вода не имеет достаточно высокой температуры для прямого использования в паровой турбине. В этом цикле геотермальная вода нагревает рабочую жидкость с низкой точкой кипения, которая, испаряясь, приводит в движение турбину. Этот метод позволяет эффективно использовать ресурсы с умеренной температурой. Технология сухих горячих пород подразумевает создание искусственных гидротермальных систем путем закачки воды в горячие горные породы и последующего ее извлечения в виде пара или горячей воды для производства электроэнергии. Для прямого использования тепла горячая геотермальная вода из гидротермальных систем может быть направлена непосредственно для отопления зданий, теплиц или для промышленных процессов. Геотермальные тепловые насосы используют тепло мелкозалегающих геотермальных ресурсов для отопления и охлаждения зданий, забирая тепло из земли или воды и повышая его температуру до необходимого уровня.

Таблица 2

Сравнительный анализ геотермальных технологий

Технология Применимость Эффективность (%) Стоимость (тыс. руб/кВт) Особенности
Прямая паровая станция Высокотемпературные паровые месторождения 10 — 25 225 — 360 Простота конструкции, подходит для месторождений с высоким давлением пара
Бинарная электростанция Низко- и среднетемпературные водяные месторождения 8 — 15 270 — 450 Подходит для месторождений с низкой температурой, требуется рабочая жидкость
Станция сухих горячих пород Сухие горячие горные породы 5 — 10 360 — 630 Требует бурения на большие глубины, сложная технология, подходит для регионов с ограниченными ресурсами
Прямое отопление Низко- и среднетемпературные водяные месторождения 70 — 90 90 — 225 Низкая стоимость, высокая эффективность при непосредственном использовании тепла
Геотермальные тепловые насосы Мелкозалегающие ресурсы, любые климатические зоны 300 — 500 135 — 270 Подходит для широкого спектра применений, требует минимальных затрат на установку, используется тепло грунта или воды

Геотермальная энергия, обладая огромным потенциалом для удовлетворения растущих потребностей в энергии, является важным элементом устойчивого развития. По сравнению с ископаемым топливом, геотермальная энергия возобновляема, поскольку тепло из недр Земли постоянно пополняется [4]. Кроме того, геотермальная энергия характеризуется стабильностью и не зависит от погодных условий. Геотермальные системы используют тепло недр Земли для обеспечения теплом целых районов или городов. Горячая вода из геотермальных скважин транспортируется по сети трубопроводов к потребителям, где через теплообменники передает тепло для отопления зданий и горячего водоснабжения, что позволяет снизить зависимость от ископаемого топлива и уменьшить выбросы парниковых газов. Такие системы особенно эффективны в регионах с высокой геотермальной активностью, но могут быть адаптированы и для территорий с умеренными ресурсами с использованием технологий геотермальных тепловых насосов [5]. Однако, разработка и внедрение новых технологий, таких как станций сухих горячих пород, также требует значительных научных исследований и разработок, а также финансирования. Несмотря на эти ограничения, инвестиции в геотермальную энергию являются перспективным направлением, поскольку она представляет собой надежный, экологически чистый и устойчивый источник энергии для будущего.

References

1. Илиев, А. А. Геотермальные насосы / А. А. Илиев // Развитие современной науки и образования: актуальные вопросы, достижения и инновации : сборник статей Международной научно-практической конференции : в 2 ч., Пенза, 20 января 2022 года. Часть 1. – Пенза: Наука и Просвещение, 2022. – С. 82-83.
2. Тененик, Н. С. Отопление с помощью геотермальных насосов / Н. С. Тененик // Научные исследования молодых учёных : сборник статей XVI Международной научно-практической конференции, Пенза, 17 января 2022 года. – Пенза: Наука и Просвещение, 2022. – С. 67-70.
3. Буланенков, В. А. Перспективы геотермальной энергетики: возможности и вызовы / В. А. Буланенков // Научный Лидер. – 2023. – № 29(127). – С. 61-63.
4. Гайфиева, Л. Ф. Перспективы развития геотермальной энергетики в России / Л. Ф. Гайфиева // Тинчуринские чтения - 2022 "Энергетика и цифровая трансформация" : Сборник статей по материалам конференции. В 3-х томах, Казань, 27–29 апреля 2022 года / Под общей редакцией Э.Ю. Абдуллазянова. Том 2. – Казань: Казанский государственный энергетический университет, 2022. – С. 247-249.
5. Мугинов, А. М. Последние исследования и разработки в области геотермальной энергии / А. М. Мугинов, Р. Р. Вилданов // Тенденции развития науки и образования. – 2024. – № 106-11. – С. 205-207.