Energie geotermală - Geothermal power
| Parte dintr-o serie pe |
| Energie sustenabilă |
|---|
 |
Puterea geotermală este puterea electrică generată din energia geotermală . Tehnologiile utilizate includ centrale electrice cu abur uscat, centrale cu abur rapid și centrale electrice cu ciclu binar. Generarea de energie electrică geotermală este utilizată în prezent în 26 de țări, în timp ce încălzirea geotermală este utilizată în 70 de țări.
Începând cu 2019, capacitatea geotermală la nivel mondial se ridică la 15,4 gigawați (GW), din care 23,9 la sută sau 3,68 GW sunt instalați în Statele Unite . Piețele internaționale au crescut cu o rată medie anuală de 5% în cei trei ani până în 2015, iar capacitatea globală de energie geotermală este de așteptat să ajungă la 14,5–17,6 GW până în 2020. Pe baza cunoștințelor și tehnologiei geologice actuale, GEA dezvăluie public, Asociația Energiei Geotermale. (GEA) estimează că doar 6,9 la sută din potențialul global total a fost exploatat până în prezent, în timp ce IPCC a raportat că potențialul de energie geotermală este cuprins între 35 GW și 2 TW . Țările care produc mai mult de 15% din electricitatea lor din surse geotermale includ El Salvador , Kenya , Filipine , Islanda , Noua Zeelandă și Costa Rica .
Geotermala este considerat a fi o durabilă , regenerabilă sursă de energie , deoarece extragerea de căldură este mic în comparație cu conținutul de căldură Pământului . Cele Emisiile de gaze cu efect de seră ale stațiilor electrice geotermale sunt , în medie , 45 de grame de dioxid de carbon per kilowatt-oră de electricitate, sau mai puțin de 5 procente din cea a centralelor convenționale pe bază de cărbune.
Ca sursă de energie regenerabilă atât pentru energie electrică, cât și pentru încălzire, geotermala are potențialul de a satisface 3-5% din cererea globală până în 2050. Cu stimulente economice, se estimează că până în 2100 va fi posibilă satisfacerea a 10% din cererea globală.
Istorie și dezvoltare
În secolul al XX-lea, cererea de energie electrică a dus la considerarea energiei geotermale ca sursă generatoare. Prințul Piero Ginori Conti a testat primul generator de energie geotermală la 4 iulie 1904 în Larderello , Italia. A aprins cu succes patru becuri. Mai târziu, în 1911, acolo a fost construită prima centrală geotermală comercială din lume. Generatoarele experimentale au fost construite în Beppu , Japonia și Geysers , California, în anii 1920, dar Italia a fost singurul producător industrial de energie geotermală din lume până în 1958.
În 1958, Noua Zeelandă a devenit al doilea mare producător industrial de electricitate geotermală atunci când a fost pusă în funcțiune stația Wairakei . Wairakei a fost prima stație care a folosit tehnologia flash abur. În ultimii 60 de ani, producția netă de lichide a depășit 2,5 km 3 . Abaterea de la Wairakei-Tauhara a fost o problemă într-o serie de audieri formale legate de acordurile de mediu pentru dezvoltarea extinsă a sistemului ca sursă de energie regenerabilă.
În 1960, Pacific Gas and Electric a început să opereze prima centrală electrică geotermală de succes din Statele Unite la The Geysers din California. Turbina originală a durat mai mult de 30 de ani și a produs o putere netă de 11 MW .
Centrala electrică cu ciclu binar a fost demonstrată pentru prima dată în 1967 în Uniunea Sovietică și ulterior introdusă în Statele Unite în 1981, în urma crizei energetice din anii 1970 și a modificărilor semnificative în politicile de reglementare. Această tehnologie permite utilizarea unor resurse de temperatură mult mai scăzute decât erau recuperabile anterior. În 2006, o stație de cicluri binare din Chena Hot Springs, Alaska , a intrat pe internet, producând energie electrică de la o temperatură record a fluidului de 57 ° C (135 ° F).
Stațiile electrice geotermale au fost construite până de curând exclusiv acolo unde resursele geotermale la temperatură înaltă sunt disponibile lângă suprafață. Dezvoltarea centralelor electrice cu ciclu binar și îmbunătățirea tehnologiei de forare și extracție pot permite îmbunătățirea sistemelor geotermale pe o gamă geografică mult mai mare. Proiectele demonstrative sunt operaționale în Landau-Pfalz , Germania și Soultz-sous-Forêts , Franța, în timp ce un efort anterior realizat în Basel , Elveția, a fost închis după ce a declanșat cutremure. Alte proiecte demonstrative sunt în construcție în Australia , Regatul Unit și Statele Unite ale Americii .
Eficiența termică a stațiilor electrice geotermale este scăzută, în jur de 7-10%, deoarece fluidele geotermale sunt la o temperatură scăzută în comparație cu aburul din cazane. Conform legilor termodinamicii, această temperatură scăzută limitează eficiența motoarelor termice în extragerea energiei utile în timpul producerii de energie electrică. Căldura de evacuare este irosită, cu excepția cazului în care poate fi utilizată direct și local, de exemplu în sere, fabrici de cherestea și termoficare. Eficiența sistemului nu afectează costurile operaționale, așa cum ar fi pentru o centrală de cărbune sau alte combustibili fosili, dar are în vedere viabilitatea stației. Pentru a produce mai multă energie decât consumă pompele, generarea de electricitate necesită câmpuri geotermale la temperaturi ridicate și cicluri de căldură specializate. Deoarece energia geotermală nu se bazează pe surse variabile de energie, spre deosebire, de exemplu, eoliană sau solară, factorul său de capacitate poate fi destul de mare - s-a demonstrat până la 96%. Cu toate acestea, factorul de capacitate medie globală a fost de 74,5% în 2008, potrivit IPCC .
Resurse
Conținutul de căldură al Pământului este de aproximativ 1 × 10 19 TJ (2,8 × 10 15 TWh) . Această căldură curge în mod natural la suprafață prin conducție la o rată de 44,2 TW și este alimentată prin degradare radioactivă la o rată de 30 TW. Aceste rate de putere sunt mai mult decât dublul consumului actual de energie al umanității din surse primare, dar cea mai mare parte a acestei puteri este prea difuză (aproximativ 0,1 W / m 2 în medie) pentru a fi recuperabilă. Crusta Pământului acționează efectiv ca o pătură izolatoare groasă care trebuie străpuns de conducte de fluid (de magmă , apă sau altele) pentru a elibera dedesubt căldură.
Generarea de energie electrică necesită resurse la temperaturi ridicate care pot proveni doar din adâncurile subterane. Căldura trebuie transportată la suprafață prin circulația fluidelor, fie prin conducte de magmă , izvoare termale , circulație hidrotermală , puțuri de petrol , puțuri de apă forate sau o combinație a acestora. Această circulație există uneori în mod natural acolo unde scoarța este subțire: conductele de magmă aduc căldura aproape de suprafață, iar izvoarele termale aduc căldura la suprafață. Dacă nu este disponibil un izvor fierbinte, un puț trebuie să fie forat într-un acvifer fierbinte . Departe de granițele plăcii tectonice, gradientul geotermic este de 25-30 ° C pe kilometru (km) de adâncime în cea mai mare parte a lumii, astfel încât puțurile ar trebui să aibă o adâncime de câțiva kilometri pentru a permite generarea de energie electrică. Cantitatea și calitatea resurselor recuperabile se îmbunătățesc odată cu adâncimea de foraj și apropierea de limitele plăcii tectonice.
În solul fierbinte, dar uscat sau în care presiunea apei este inadecvată, lichidul injectat poate stimula producția. Dezvoltatorii au făcut două găuri într-un loc candidat și fracturează roca dintre ele cu explozivi sau apă de înaltă presiune . Apoi pompează apă sau dioxid de carbon lichefiat într-o gaură de foraj, iar în cealaltă gaură apare ca gaz. Această abordare se numește energie geotermală de rocă uscată fierbinte în Europa sau sisteme geotermale îmbunătățite în America de Nord. Poate fi disponibil un potențial mult mai mare din această abordare decât din exploatarea convențională a acviferelor naturale.
Estimările potențialului de producere a energiei geotermale variază de la 35 la 2000 GW, în funcție de amploarea investițiilor. Aceasta nu include căldura neelectrică recuperată prin cogenerare, pompele de căldură geotermale și alte utilizări directe. Un raport din 2006 al Institutului de Tehnologie din Massachusetts (MIT) care a inclus potențialul sistemelor geotermale îmbunătățite a estimat că investiția de 1 miliard de dolari SUA în cercetare și dezvoltare pe parcursul a 15 ani ar permite crearea a 100 GW de capacitate de generare electrică până în 2050 în Statele Unite. singur. Raportul MIT a estimat că peste 200 × 10 9 TJ (200 ZJ; 5,6 × 10 7 TWh) ar putea fi extrase, cu potențialul de a crește acest lucru la peste 2.000 ZJ cu îmbunătățiri tehnologice - suficient pentru a furniza toate necesitățile energetice actuale ale lumii pentru mai mulți milenii .
În prezent, puțurile geotermale au rareori o adâncime de peste 3 km (1,9 mi). Estimările superioare ale resurselor geotermale presupun fântâni de până la 10 km (6,2 mi). Forarea în apropierea acestei adâncimi este acum posibilă în industria petrolieră, deși este un proces costisitor. Cea mai profundă fântână de cercetare din lume, Kola Superdeep Borehole (KSDB-3), are o adâncime de 12.261 km (7.619 mi). Această înregistrare a fost imitată recent de puțurile comerciale de petrol, cum ar fi fântâna Exxon Z-12 din câmpul Chayvo, Sakhalin . Puțurile forate la adâncimi mai mari de 4 km (2,5 mi) suportă în general costuri de forare în zeci de milioane de dolari. Provocările tehnologice constau în forarea găurilor largi la un cost redus și în spargerea unor volume mai mari de rocă.
Energia geotermală este considerată durabilă deoarece extracția de căldură este mică în comparație cu conținutul de căldură al Pământului, dar extracția trebuie totuși monitorizată pentru a evita epuizarea locală. Deși siturile geotermale sunt capabile să asigure căldură timp de mai multe decenii, puțurile individuale se pot răcori sau rămâne fără apă. Cele mai vechi trei site-uri, la Larderello, Wairakei și Geysers, au redus producția din vârfurile lor. Nu este clar dacă aceste stații au extras energie mai repede decât a fost alimentată din adâncimi mai mari sau dacă acviferele care le furnizează sunt epuizate. Dacă producția este redusă și apa este reinjectată, aceste fântâni ar putea, teoretic, să-și recupereze întregul potențial. Astfel de strategii de atenuare au fost deja puse în aplicare la unele site-uri. Sustenabilitatea pe termen lung a energiei geotermale a fost demonstrată la câmpul Lardarello din Italia din 1913, la câmpul Wairakei din Noua Zeelandă din 1958 și la câmpul Geysers din California din 1960.
Tipuri de centrale electrice
Centralele termice geotermale sunt similare celorlalte centrale termice ale turbinei cu abur , deoarece căldura dintr-o sursă de combustibil (în cazul geotermei, nucleul Pământului) este utilizată pentru încălzirea apei sau a unui alt fluid de lucru . Fluidul de lucru este apoi utilizat pentru a roti o turbină a unui generator, producând astfel electricitate. Fluidul este apoi răcit și readus la sursa de căldură.
Centrale electrice cu abur uscat
Stațiile de abur uscate sunt cele mai simple și mai vechi design. Acest tip de centrală nu se găsește foarte des, deoarece necesită o resursă care produce abur uscat , dar este cea mai eficientă, cu cele mai simple facilități. În aceste locuri, poate exista apă lichidă în rezervor, dar nu se produce apă la suprafață, ci doar abur. Dry Steam Power folosește direct abur geotermal de 150 ° C sau mai mare pentru a transforma turbinele. Pe măsură ce turbina se rotește, alimentează un generator care produce electricitate și se adaugă câmpului de putere. Apoi, aburul este emis într-un condensator. Aici aburul se transformă înapoi într-un lichid care apoi răcește apa. După ce apa este răcită, curge pe o conductă care conduce condensul înapoi în puțuri adânci, unde poate fi reîncălzit și produs din nou. La The Geysers din California, după primii 30 de ani de producție a energiei, aprovizionarea cu abur s-a epuizat, iar producția a fost redusă substanțial. Pentru a restabili o parte din capacitatea anterioară, injectarea suplimentară de apă a fost dezvoltată în anii 1990 și 2000, inclusiv utilizarea efluentului din instalațiile municipale de epurare a apelor uzate din apropiere.
Centrale electrice cu abur flash
Stațiile de abur flash trag apă caldă adâncă și de înaltă presiune în rezervoarele cu presiune mai mică și folosesc aburul rezultat pentru a acționa turbinele. Acestea necesită temperaturi ale fluidului de cel puțin 180 ° C, de obicei mai mult. Acesta este cel mai comun tip de stație în funcțiune astăzi. Instalațiile cu abur rapid utilizează rezervoare geotermale de apă cu temperaturi mai mari de 182 ° C (360 ° F). Apa fierbinte curge prin fântâni în pământ sub propria sa presiune. Pe măsură ce curge în sus, presiunea scade și o parte din apa fierbinte este transformată în abur. Aburul este apoi separat de apă și utilizat pentru a alimenta o turbină / generator. Orice resturi de apă și abur condensat pot fi injectate înapoi în rezervor, făcând din aceasta o resursă potențial durabilă.
Centrale electrice cu ciclu binar
Centralele electrice cu ciclu binar sunt cea mai recentă dezvoltare și pot accepta temperaturi ale fluidelor de până la 57 ° C. Apa geotermală moderat fierbinte este trecută de un fluid secundar cu un punct de fierbere mult mai scăzut decât apa. Acest lucru face ca fluidul secundar să se vaporizeze rapid, care apoi acționează turbinele. Acesta este cel mai comun tip de stație de electricitate geotermală construită astăzi. Ambele Rankine organice și Kalina cicluri sunt utilizate. Eficiența termică a acestui tip de stație este de obicei de aproximativ 10-13%.
Producție la nivel mondial
Asociația Internațională Geotermală (IGA) a raportat că 10.715 megawatti (MW) de energie geotermală în 24 de țări este online, ceea ce se așteaptă să genereze 67.246 GWh de energie electrică în 2010. Aceasta reprezintă o creștere cu 20% a capacității online a energiei geotermale din 2005. IGA a proiectat că acest lucru va crește la 18.500 MW până în 2015, din cauza numărului mare de proiecte care erau luate în considerare, adesea în zone presupuse anterior cu resurse puțin exploatabile.
În 2010, Statele Unite au condus lumea în producția de energie electrică geotermală cu 3.086 MW de capacitate instalată de la 77 de centrale electrice; cel mai mare grup de geotermale centrale electrice din lume este situat la gheizere , un câmp geotermal din California . Filipine urmărește SUA ca al doilea cel mai mare producător de energie geotermală din lume, cu o capacitate online de 1.904 MW; energia geotermală reprezintă aproximativ 27% din producția de energie electrică a țării.
Al Gore a declarat în Summitul Asia Pacific al The Climate Project că Indonezia ar putea deveni o țară cu putere superioară în producția de electricitate din energie geotermală. India a anunțat un plan pentru dezvoltarea primei centrale geotermale din țară în Chhattisgarh.
Canada este singura țară importantă de pe Inelul de Foc al Pacificului care nu a dezvoltat încă energia geotermală. Regiunea cu cel mai mare potențial este Cordilera canadiană , care se întinde de la British Columbia la Yukon, unde estimările producției de energie au variat de la 1.550 MW la 5.000 MW.
Stații de utilitate
Cel mai mare grup de geotermale centrale electrice din lume este situat la gheizere , un câmp geotermal în California , Statele Unite ale Americii . Începând din 2004, cinci țări ( El Salvador , Kenya , Filipine , Islanda și Costa Rica ) produc mai mult de 15% din electricitatea lor din surse geotermale.
Electricitatea geotermală este generată în cele 24 de țări enumerate în tabelul de mai jos. În cursul anului 2005, s-au încheiat contracte pentru o capacitate electrică suplimentară de 500 MW în Statele Unite, în timp ce existau și stații în construcție în alte 11 țări. Sistemele geotermale îmbunătățite, care au o adâncime de câțiva kilometri, sunt operaționale în Franța și Germania și sunt dezvoltate sau evaluate în cel puțin alte patru țări.
| Țară | Capacitate (MW) 2007 |
Capacitate (MW) 2010 |
Capacitate (MW) 2013 |
Capacitate (MW) 2015 |
Capacitate (MW)
2018 |
Capacitate (MW)
2019 |
Ponderea generației naționale (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Statele Unite ale Americii | 2687 | 3086 | 3389 | 3450 | 3591 | 3676 | 0,3 |
| Indonezia | 992 | 1197 | 1333 | 1340 | 1948 | 2133 | 3.7 |
| Filipine | 1969.7 | 1904 | 1894 | 1870 | 1868 | 1918 | 27.0 |
| curcan | 38 | 82 | 163 | 397 | 1200 | 1526 | 0,3 |
| Noua Zeelandă | 471.6 | 628 | 895 | 1005 | 1005 | 1005 | 14.5 |
| Mexic | 953 | 958 | 980 | 1017 | 951 | 962,7 | 3.0 |
| Italia | 810.5 | 843 | 901 | 916 | 944 | 944 | 1.5 |
| Kenya | 128,8 | 167 | 215 | 594 | 676 | 861 | 38 |
| Islanda | 421.2 | 575 | 664 | 665 | 755 | 755 | 30.0 |
| Japonia | 535.2 | 536 | 537 | 519 | 542 | 601 | 0,1 |
| Costa Rica | 162,5 | 166 | 208 | 207 | 14.0 | ||
| El Salvador | 204.4 | 204 | 204 | 204 | 25.0 | ||
| Nicaragua | 79 | 82 | 97 | 82 | 9.9 | ||
| Rusia | 79 | 79 | 82 | 82 | |||
| Guatemala | 53 | 52 | 42 | 52 | |||
| Papua Noua Guinee | 56 | 56 | 56 | 50 | |||
| Portugalia | 23 | 29 | 28 | 29 | |||
| China | 27,8 | 24 | 27 | 27 | |||
| Germania | 8.4 | 6.6 | 13 | 27 | |||
| Franţa | 14.7 | 16 | 15 | 16 | |||
| Etiopia | 7.3 | 7.3 | 8 | 7.3 | |||
| Austria | 1.1 | 1.4 | 1 | 1.2 | |||
| Australia | 0,2 | 1.1 | 1 | 1.1 | |||
| Tailanda | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | |||
| Total | 9.731,9 | 10.709,7 | 11,765 | 12,635,9 | 14.369 | 15.406 | - |
Impact asupra mediului
Fluidele extrase din pământul adânc transportă un amestec de gaze, în special dioxid de carbon ( CO
2), hidrogen sulfurat ( H
2S ), metan ( CH
4), amoniac ( NH
3) și radon ( Rn ). Dacă sunt eliberați, acești poluanți contribuie la încălzirea globală , ploi acide , radiații și mirosuri nocive.
Stațiile electrice geotermale existente, care se încadrează în percentila 50 a tuturor studiilor privind emisiile totale ale ciclului de viață revizuite de IPCC , produc în medie 45 kg de CO
2emisii echivalente pe megawatt-oră de electricitate generată (kg CO
2eq / MW · h ). Pentru comparație, o centrală electrică pe cărbune emite 1.001 kg de CO
2echivalent pe megawatt-oră atunci când nu este asociat cu captarea și stocarea carbonului (CCS).
Stațiile care prezintă niveluri ridicate de acizi și substanțe chimice volatile sunt de obicei echipate cu sisteme de control al emisiilor pentru a reduce evacuarea. Stațiile geotermale pot, de asemenea, să injecteze aceste gaze înapoi în pământ ca o formă de captare și stocare a carbonului, cum ar fi în proiectul CarbFix din Islanda.
Alte stații, cum ar fi centrala geotermală Kızıldere , prezintă capacitatea de a utiliza fluide geotermale pentru a procesa dioxidul de carbon gazos în gheață uscată la două centrale din apropiere, având ca rezultat un impact foarte mic asupra mediului.
În plus față de gazele dizolvate, apa fierbinte din surse geotermale poate conține în soluție urme de substanțe chimice toxice, cum ar fi mercur , arsen , bor , antimoniu și sare. Aceste substanțe chimice ies din soluție pe măsură ce apa se răcește și pot provoca daune mediului dacă sunt eliberate. Practica modernă de injectare a fluidelor geotermale înapoi pe Pământ pentru a stimula producția are avantajul secundar al reducerii acestui risc pentru mediu.
Construcția stației poate afecta negativ stabilitatea terenului. S- a produs liniște în câmpul Wairakei din Noua Zeelandă. Sistemele geotermale îmbunătățite pot declanșa cutremure din cauza injecției de apă. Proiectul de la Basel , Elveția , a fost suspendat deoarece peste 10.000 de evenimente seismice care au ajuns până la 3,4 pe scara Richter au avut loc în primele 6 zile de injecție cu apă. Riscul de forare geotermală care duce la ridicare a fost experimentat la Staufen im Breisgau .
Geotermala are cerințe minime de teren și apă dulce. Stațiile geotermale utilizează 404 de metri pătrați pe GW · h față de 3.632 și 1.335 de metri pătrați pentru instalațiile de cărbune și, respectiv, parcurile eoliene. Aceștia folosesc 20 de litri de apă dulce pe MW · h față de peste 1000 de litri pe MW · h pentru nucleare, cărbune sau petrol.
Centralele geotermale pot, de asemenea, perturba ciclurile naturale ale gheizerelor. De exemplu, gheizerele din Beowawe, Nevada , care erau fântâni geotermale neacoperite, au încetat să erupă din cauza dezvoltării stației dual-flash.
Răcirea climatică locală este posibilă ca rezultat al activității sistemelor de circulație geotermală. Cu toate acestea, conform unei estimări date de Leningrad Mining Institute în 1980, o posibilă răcire va fi neglijabilă în comparație cu fluctuațiile climatice naturale.
Economie
Energia geotermală nu necesită combustibil; prin urmare, este imun la fluctuațiile costurilor combustibilului. Cu toate acestea, costurile de capital tind să fie ridicate. Forajul reprezintă peste jumătate din costuri, iar explorarea resurselor profunde implică riscuri semnificative. Un dublet tipic de sondă din Nevada poate suporta 4,5 megawatti (MW) de producere a energiei electrice și costă aproximativ 10 milioane de dolari pentru foraj, cu o rată de eșec de 20%. În total, construcția stației electrice și forarea puțurilor costă aproximativ 2–5 milioane EUR pe MW de capacitate electrică, în timp ce costul energiei nivelate este de 0,04–0,10 EUR pe kW · h. Sistemele geotermale îmbunătățite tind să fie în partea superioară a acestor intervale, cu costuri de capital peste 4 milioane USD pe MW și costuri nivelate peste 0,054 USD pe kW · h în 2007.
Energia geotermală este foarte scalabilă: o mică centrală electrică poate alimenta un sat rural, deși costurile inițiale de capital pot fi mari.
Cel mai dezvoltat câmp geotermal este gheizerele din California. În 2008, acest domeniu a sprijinit 15 stații, toate deținute de Calpine , cu o capacitate totală de generare de 725 MW.
Vezi si
- Sistem geotermic îmbunătățit
- Încălzire geotermală
- Energie geotermală de rocă uscată fierbinte
- Proiectul de forare profundă din Islanda
- Lista subiectelor privind energia regenerabilă în funcție de țară