Исландия: геотермальная энергетика
Геология как основной фактор развития отрасли
Извлечение энергии из недр земли стало возможным благодаря наличию в неглубоких пластах воды, нагретой выше температуры кипения вследствие вулканической активности. Пронедра писали ранее, что температура породы повышается каждые 36 метров в глубину на один градус по Цельсию. Процессы использования геотермальных источников имеют преимущество перед многими другими технологиями альтернативной энергетики, поскольку характеризуются стабильностью результата и не подвержены сезонным или погодным колебаниям.
Доступ к нагретому теплоносителю осуществляется как путём бурения скважин, так и с помощью непосредственного использования горячей воды из источников на поверхности грунта. Более эффективной является глубинная геотермия, благодаря которой вырабатываются электроэнергия и тепло как для бытовых, так и для промышленных потребителей.
Тепло извлекается по двум разным методикам, предусматривающим получение горячих вод (гидротермальные источники) или же использование сухих нагретых пород (петротермальные источники). Первая распространена на территориях, на которых осуществляется природный нагрев воды до температуры не ниже 100 градусов по Цельсию. Водяной пар, получаемый из скважины, приводит в действие турбины электростанций или же используется напрямую как теплоноситель для систем отопления. После охлаждения вода поступает через реинъекционные скважины обратно под землю.
Что касается станций петротермальной энергетики, то они работают по принципу закачки воды в нагретые подземные породы, расположенные на глубинах от трёх километров и нагретые до температуры минимум 150 градусов по Цельсию. После нагрева закачанной воды последняя извлекается и используется аналогичным образом, как и в случае с гидротермальными системами.
Обе технологии использования геотермальных источников предусматривают наличие определённых природных условий в районах генерации, чем и обусловлено широкое развитие отрасли в регионах с высокой вулканической активностью, в число которых входит и Исландия.
Территория страны геологически формировалась в течение последних 20 млн лет путём излития на поверхность базальтовых пластов, образовавших слои до семи километров толщиной. Наличие большого количества вод в недрах Исландии объясняется пористостью пород, впитывающих влагу осадков.
Непосредственно исландский остров расположен на Средне-Атлантическом хребте между Евроазиатской и Североамериканской тектоническими плитами. Вследствие сформировавшихся геологических особенностей на острове возникли порядка 150 вулканов, из которых около 40 — до сих пор действующие. В зоне вулканов расположились два десятка геотермальных зон с температурой парообразования воды в среднем 600 градусов по Цельсию.
Ключевое же преимущество Исландии заключается в том, что она является единственной территорией в мире, где геотермальные источники расположены в легкодоступных районах, в то время, как в других регионах мира они, как правило, находятся в гористой местности.
История геотермальной энергетики Исландии
Исландия — регион, характеризующийся суровым климатом, поэтому со времён его заселения люди активно использовали открытые геотермальные источники для приготовления пищи, стирки белья и купания. Нагретая в недрах вода в качестве теплоносителя, тем не менее, стала использоваться для отопления отдельных жилищ довольно поздно — в начале 20-го века. До тех пор для отопления использовались природные материалы — торф и водоросли.
Хотя первые попытки бурения геотермальных скважин предпринимались ещё двумя столетиями ранее, первая полноценная теплотрасса протяжённостью в три километра, работающая на геотермальных источниках, была построена только в 1930 году. В регионе отапливались таким образом уже 60 домов, включая здание школы.
Исландская геотермальная энергетика развивалась медленными темпами вплоть до семидесятых годов. Три четверти потребностей в энергии удовлетворялись путём закупки нефти и угля из СССР, Норвегии и Великобритании, поскольку в Исландии нет собственных месторождений углеводородов. После того как разразился арабо-израильский конфликт, стоимость «чёрного золота» выросла на 70%, что заставило исландскую экономику переориентироваться на другие источники энергии.
Государство и инвесторы занялись финансированием освоения геотермальных площадей и прокладкой трубопроводов. Со временем правительство минимизировало своё участие в реализации геотермальных проектов, возложив эту миссию на энергокомпании. Несмотря на то что нефтяной кризис закончился, исландцы продолжили динамично и последовательно развивать геотермальную и гидроэнергетическую отрасли. На альтернативные источники энергии к середине девяностых приходилось уже 95% генерации.
В двадцатом веке Исландии удалось превратиться в страну с высоким уровнем развития, начав свой путь с беднейшего государства Европы, полностью зависящего от импорта энергетических ресурсов. Всего три десятка лет потребовалось региону для перехода с углеводородной на альтернативную энергетику. Этому способствовали относительно небольшие энергетические потребности острова, поскольку его население составляет около 320 тыс. человек. Обретение полной независимости страны от углеводородов анонсировано к 2050 году.
Исландия не только стала первым европейским государством, практически перешедшим на альтернативные источники энергии. К 2007 году она получила статус лучшего региона для проживания в мире по версии ООН. Внедрение энергетических инноваций благоприятно сказалось и на финансовом балансе государства — только переход на геотермальную энергию дал Исландии возможность сэкономить более $7 млрд.
Эффективность электрической и тепловой генерации
Впрочем, Исландия не лидирует по количественным показателям геотермальной генерации. Уровень среднегодовой выработки с использованием геотермальных источников в Исландии достиг отметки в 575 МВт или 30% от всего объёма производства электроэнергии. Для сравнения, в США, занимающих первое место в мировом рейтинге по данному показателю, количество годовой геотермальной генерации составляет 3,09 тыс. МВт (0,3% от совокупного объёма выработки на всех видах электростанций).
Следует заметить, что более 99,5% энергии в Исландии вырабатывается из возобновляемых источников, в том числе гидроэнергетических и геотермальных, и менее 0,5% — с применением углеводородного топлива. Исландия всё же по одному из отраслевых критериев заняла первую позицию в мире — речь идёт о показателе производства электроэнергии из геотермальных источников на душу населения.
За счёт использования энергии геотермальных пластов обеспечивается 90% потребностей страны в отопительных мощностях. На отопление и горячее водоснабжение тратится почти половина объёмов геотермальной энергии. Использование возобновляемых источников позволило установить тарифы на горячую воду и тепло в Исландии на уровне ниже, чем в среднем по Европе.
Природный теплоноситель используется повсеместно и эффективно. Кроме отопительных систем и трубопроводов горячего водоснабжения, он подаётся в бассейны для купания, в тепличные и рыбоводческие хозяйства, применяется с целью обеспечения искусственного таяния снега на городских улицах.
До 2019 года в Исландии также планируется запустить новый проект — так называемые зоны «вечного лета» или биокуполы в Рейкьявике. В данных комплексах, в которых круглогодично при помощи отопительных систем будет поддерживаться температура воздуха на уровне 25 градусов по Цельсию, планируется выращивать экзотические овощи и фрукты. Кроме того, тепловые оазисы будут широко использоваться с целью стимулирования туризма.
Сейчас в стране в общей сложности работают пять электростанций теплофикационного типа на геотермальных источниках. Две из них заслуживают отдельного упоминания — Svartsengi и Hellisheidi. Станция Svartsengi, расположенная на исландском полуострове Рейкьянес, не только обеспечивает удовлетворение значительной доли энергетических потребностей Исландии (с электрической мощностью 78 МВт и тепловой — 190 МВт), но и является своеобразным действующим памятником отрасли, поскольку была построена и запущена первой в своём роде в этой стране.
Строительство станции стартовало в 1971 году, эксплуатация началась уже через пять лет. Она постоянно достраивалась, её конструкция подвергалась усовершенствованиям. Шестой по счёту энергоблок был запущен относительно недавно — в 2007 году. Вторая из упомянутых станций, Hellisheidi, возведённая в юго-западной части региона, примечательна тем, что является самой мощной в Исландии. Показатель электрической генерации достигает 213 МВт (его планируется нарастить до 300 МВт), тепловой — 400 МВт.
Исландский рекорд: сверхглубокая геотермальная скважина
Исландские операторы проектов геотермальной энергетики не останавливаются на достигнутом и пытаются повысить эффективность работы отрасли, проводят исследования и стараются максимально усовершенствовать технологии. Одним из таких инновационных шагов стала реализация планов консорциума Iceland Deep Drilling Project, выполнение которых стартовало в начале двухтысячных годов.
Проект объединения, в состав которого вошли четыре ведущие отраслевые компании — Mannvit Engineering, Orkuveita Reykjavikur, Landsvirkjun и Hitaveita Sudurnesja — предусматривает перевод генерирующих мощностей на гидротермальную сверхкритическую жидкость.
Суть идеи заключается в том, что, по предположению специалистов, в глубоких подземных горизонтах нагретое до высоких температур вещество может переходить в состояние, при котором нет различий между газообразной и жидкой формами, и переносить при этом большое количество тепловой энергии. Оно не испаряется и не кипит.
В частности, вода в такой стадии и с температурой до 1 тыс. градусов по Цельсию может встречаться в зонах с высокой вулканической активностью. Пар от такой воды может нагреваться до 600 градусов по Цельсию, следовательно, его использование в геотермальных установках будет более эффективным, чем при стандартных температурах. Проект сопровождается значительными трудностями, связанными с трудоёмкостью его реализации. В частности, для извлечения воды в сверхкритическом состоянии требуется бурение сверхглубоких скважин.
Первая попытка обустройства четырёхкилометровой скважины, предпринятая в 2009 году в северо-восточной части Исландии, окончилась неудачей. В процессе работ на глубине 2,1 километра был достигнут уровень залегания магмы, которая разрушила буровую колонну. Тем не менее, скважина оказалась вполне рабочей, она используется для нагрева закачиваемой в пласт воды. Специалисты пришли к выводу о том, что предварительные расчёты были даже слишком скромны — на самом деле температура в скважине подбирается вплоть до 1 тыс. градусов по Цельсию.
Следующая попытка бурения увенчалась успехом. Так, напомним, в начале 2017 года в Исландии была пробурена новая сверхглубокая скважина. Она обустроена на территории геотермального поля станции Reykjanes. Данная скважина появилась на базе существующей RN-15 и побила мировой рекорд среди эксплуатирующихся аналогов в сфере геотермальной энергетики, поскольку достигла отметки глубины в 4,6 километра.
Для сравнения — средняя глубина обычной геотермальной скважины не превышает 2,7 километра. По данным компании Hitaveita Sudurnesja, бурение было произведено в береговой зоне Срединно-Атлантического хребта. На упомянутой глубине магма нагревает воду, которая поступает из океана прямо под его дном.
Реализация проекта возложена на предприятие HS Orka. Представители компании уточнили, что конечной целью данной работы является наращивание мощности существующих геотермальных станций путём разработки глубоко залегающих источников с высоким показателем энтальпии (термодинамического потенциала).
Кроме того, использование сверхкритической жидкости позволит обустраивать меньшее количество скважин при наращивании объёмов получаемой энергии, что, в свою очередь, положительно скажется на экологической составляющей. Ожидаемая мощность от эксплуатации одной инновационной скважины составит в пределах 30–50 МВт, что позволит обеспечить энергией 50 тыс. домов. Для сравнения, существующие скважины дают не более 5 МВт энергии.
Точные данные по результатам опытно-исследовательских работ будут получены в 2018 году. В случае, если исследования докажут эффективность проекта, операторы планируют не только значительно увеличить долю геотермальной генерации в энергетическом балансе Исландии, но и внедрить новую технологию в других странах.
