Геотермальные электростанции или сколько стоит вечный двигатель?

В последнее время все чаще мы слышим об альтернативной энергетике как о единственно возможном светлом будущем человечества. Все остальные варианты будущего преподносятся сторонниками солнечных батарей и ветровых генераторов весьма не светлыми – глобальное потепление, мировые потопы и войны за ресурсы…и все это сразу после ядерной зимы, которая всенепременно наступит, если и дальше массово продолжать использовать ядерные электростанции.

Своей навязчивостью поборники таких идей симпатий не вызывают, а нагнетаемая СМИ зеленая истерия не способствует адекватному анализу перспектив альтернативной энергетики. А ведь в подавляющем большинстве все эти приливно-сливные станции, вентиляторы в полях (ну не хочу я называть это ветровыми турбинами) и солнечные концентраторы не могут сравниться с ядерной электростанцией ни по одному из параметров, начиная от мощности и заканчивая влиянием на окружающую среду. Да и по экономике все эти экзотические проекты больше напоминают демонстрацию технологии, когда важно показать что это в принципе возможно, скромно умолчав о том, сколько это стоит.

В то же время, концепция выработки электричества из ничего всегда будет выглядеть заманчиво. Одним из таких «ничего» является внутренне тепло нашей планеты. Многие  видели телепередачи про извержение вулканов, с потоками расплавленной лавы, облаками пепла и другой атрибутикой локального апокалипсиса. Другое широко известное проявление этого тепла – горячие источники воды, гейзеры. Да, под землей довольно жарко и последние исследования, проводимые при помощи сверхглубокого бурения, показывают, что с каждым километром вглубь земной коры температура в толще пород увеличивается на 25-30 градусов Цельсия. Все знают, что тепло разными способами можно преобразовать в электричество. На этом тепле и работают геотермальные электростанции.

В целом, геотермальная электростанция, как и 80% остальных электростанций на планете, представляет из себя комплекс по преобразованию тепловой энергии (земных недр) в механическую – пар из нагретой под землей воды вращает турбину генератора. И этот способ особой выгодой не отличается – для нормальной работы вода должна прогреваться до 200-300 С. Математика нам показывает, что для получения такой температуры у себя в огороде, придется копать на 7-10 километров в глубь. А это не просто дорого, а очень дорого. Рекордная Кольская скважина имеет глубину всего 12 км., являя предел возможностей современных бурильных технологий. Глубина скважин для геотермальных станций редко превышает 3 км. Отсюда вывод – устанавливать их можно не везде, а там где на небольшой глубине уже есть нужная температура. А это – места стыка тектонических плит, регионы сейсмической активности, гейзеры и пр. не самые распространенные вещи. В общем, много не построишь – нужно глубоко, горячо, дорого и не везде. И здесь намечается прорыв сразу во всех категориях!

Американская компания Raser Technologies успешно ввела в строй коммерческую геотермальную электростанцию Hatch Geothermal Power Plant в штате Калифорния. Город, в котором была построена станция, называется Thermo, что символизирует. Принцип работы новой станции, по сравнению с классическим, немного изменился.

Обычно в геотермальной установке вода из горячего водоносного слоя подается в парогенератор и за тем в турбину, как показано на картинке

 Такая схема требует высокой температуры подающейся воды, что требует более глубокого бурения. Кроме того, вода забирается непосредственно из водоносного слоя и в ней растворено большое количество химических соединений, ускоряющих процесс коррозии турбины, прокачивающих насосов и другого оборудования. Так же, с большой глубины могут выходить ядовитые иили горючие газы, заключенные в породе, что может привести к взрыву во время бурения или при дальнейшей эксплуатации станции. Еще более страшные страшилки произошли во время строительства демонстрационного комплекса в швейцарском Базеле (Basel). В течение 6 дней после первой закачки холодной воды в горячие породы, из под земли в районе установки последовало около 10 000 (десяти тысяч) сейсмических толчков силой до 3,4 балла по шкале Рихтера и проект свернули.

Геотермальные электростанции, построенные Raser, лишены большинства этих недостатков, так как работаю по бинарному (двойному) принципу. В первую скважину на небольшую глубину закачивается некий водный раствор, который нагревается до относительно невысокой температуры – до 80 С. Это первичный контур теплоносителя. Далее нагретый раствор выкачивается из второй скважины и подается в теплообменник, где отдает свое тепло радиаторам котла, заполненного другой жидкостью. Вот здесь и заключается американская инженерная хитрость.

Эта жидкость — специальное органическое соединение, температура кипения которого на много ниже температуры кипения воды – при атмосферном давлении она кипит при –44 С, однако для увеличения мощности турбины давление в системе повышено. В результате, эта жидкость кипит примерно при +73 С, которые ей доставляет вода из первичного контура. Образующийся пар вращает лопасти небольшой турбины, соединенной с генератором. Вся система из скважин, насосов, теплообменников, турбины и генератора представляет собой единый комплекс с номинальной мощностью 250 кВт. Схематично это работает примерно так:

На практике добавлен еще и третий контур для конденсации пара из турбины обратно в состояние жидкости, а также контур охлаждения самого конденсатора. Кстати, именно теплообменный контур конденсатора дает белый дым над широкими трубами всех тепловых электростанций, от угольных до АЭС — это всего лишь смесь водяного пара и горячего воздуха.

В конструкции установки нет ничего необычного и все это давно известно, более того – первые бинарные геотермальные электростанции были построены СССР еще в 60-е годы. Но вся красота решения от Raser заключается в примененных технических решениях. Вторичная органическая жидкость – это модифицированный вариант хладагентов, используемых в кондиционерах партнера Raser – всемирно известного производителя климатического оборудования Carrier. А небольшие котлы, турбины и генераторы изготовила американская компания UTC Power (подразделение холдинга UTC) – производителя силовых установок для предприятий и частных хозяйств. Другими словами – все построено на основе массовых промышленных продуктов, выпуск которых давно освоен индустрией. Все элементы станции являются модульными и доставлялись прямо к месту строительства обычным грузовым автотранспортом. В итоге геотермальная станция на 50 генераторов была построена всего за 6 месяцев и обошлась в 33 миллиона долларов (стоимость новой АЭС в США – от 6 до 11 млрд. долларов).

Весь комплекс в городе Thermo выдает максимальную мощность примерно 14 МВт., а доступную потребителям – до 11 МВт. Разница идет на обеспечение работы самого комплекса.  В итоге мы получаем 33млн/11МВт=3 млн. долларов капитальных затрат за 1 МВт вырабатываемой электроэнергии. (Для сравнения — в США 1 МВт вырабатываемой на АЭС электроэнергии обходится, приблизительно, в 1,98 млн. долларов капитальных затрат).

Продают электроэнергию с этой станции потребителям за 0,078 цента за кВт*ч. Не поленимся из жадности посчитать: 0,078*10 000=780 долларов в час, вот что на самом деле генерирует весь комплекс.

Стоит заметить, что $0,078 это не так дорого, как может показаться – в США 1 кВт*ч электроэнергии обходится потребителям в зависимости от способа выработки:

  • на природном газе – в $0,052;
  • на угле —  в $0,053;
  • на энергии ветра — в $0,055;
  • на АЭС – в $0,059.

Не трудно увидеть, что цена на все виды практически одинаковая. Это «рыночная» экономика США в действии. Здесь виновата американская налоговая политика, так как американцы стараются диверсифицировать источники получения электроэнергии в своей стране. Иначе у атомной электростанции не было бы конкурентов, как это и происходит во всем остальном цивилизованном мире. У ближайшего родственника —  Великобритании все  лучше и кВт*ч атомной электроэнергии обходится примерно в $0,037 (при соотношении  фунта стерлингов к доллару в 1.65). В прочем, считать такие вещи — занятие глупое, очень многое зависит от политики конкретного государства. Мне это, с моими $0,022 за кВт*ч в стране, вырабатывающей электроэнергию на 30-летнем оборудовании и без своего топлива, кажется происками врагов цивилизации.

Тем не менее, геотермальная электростанция, построенная в рекордные сроки и успешно конкурирующая на рынке продаж электроэнергии – это есть прогресс. Отсутствие необходимости в топливе, невысокие требования к глубине скважин (дьошива и нет землетрясений!!), и, как следствие, возможность устанавливать их практически где угодно без привязки к стыкам тектонических плит делают эти станции реальной альтернативой станциям на традиционном ископаемом топливе.