Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії
У статті наведено короткий огляд сучасного стану і розвитку геотермальної енергетики у світі. Розглянуто перспективи використання геотермальної енергетики в Україні для виробництва електричної і теплової енергії. The brief review of the geothermal energy application for the electricity and thermal e...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вісник НАН України |
|---|---|
| Datum: | 2016 |
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2016
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109877 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії / А.А. Долінський, А.А. Халатов // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 11. — С. 76-86. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860173477483380736 |
|---|---|
| author | Долінський, А.А. Халатов, А.А. |
| author_facet | Долінський, А.А. Халатов, А.А. |
| citation_txt | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії / А.А. Долінський, А.А. Халатов // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 11. — С. 76-86. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вісник НАН України |
| description | У статті наведено короткий огляд сучасного стану і розвитку геотермальної енергетики у світі. Розглянуто перспективи використання геотермальної енергетики в Україні для виробництва електричної і теплової енергії.
The brief review of the geothermal energy application for the electricity and thermal energy production is given. The
prospects of the geothermal energy application in Ukraine are considered.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:59:32Z |
| format | Article |
| fulltext |
76 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (11)
ГЕОТЕРМАЛЬНА ЕНЕРГЕТИКА:
ВИРОБНИЦТВО ЕЛЕКТРИЧНОЇ
І ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ
У статті наведено короткий огляд сучасного стану і розвитку геотер-
мальної енергетики у світі. Розглянуто перспективи використання гео-
термальної енергетики в Україні для виробництва електричної і теплової
енергії.
Ключові слова: геотермальна енергетика, геотермальні технології, петро-
термальна енергетика.
Вступ
Як добре відомо, внаслідок перебігу ядерних реакцій всередині
Землі температура її ядра становить близько 6500 °С, а на глиби-
ні 10 км від поверхні — 200—270 °С. Такий природний потенціал є
перспективним для використання в енергетиці, оскільки він май-
же невичерпний і може надовго забезпечити людство екологічно
чистою енергією. Як свідчать розрахунки, в разі використання
теплоти Землі в промислових масштабах протягом 40—50 млн
років температура її ядра знизиться менш ніж на 10 °С.
Сьогодні близько 90 країн світу мають значний потенціал
для виробництва тепла й електрики, 24 з них використовують
геотермальні технології на практиці. Сумарна потужність ді-
ючих ГеоТЕС (теплових) і ГеоЕС (електричних) у світі ста-
новить близько 85 ГВт, з яких приблизно 15 % припадає на
виробництво електрики, а решта — на виробництво теплової
енергії [1]. Теплоту геотермальних джерел використовують
для локального теплопостачання, в тому числі з використан-
ням теплових насосів, для підігріву води в плавальних і бальне-
ологічних басейнах, теплицях, в агропромисловому комплексі
(сушіння, вироблення холоду).
У 2014 р. світове виробництво електроенергії на геотермаль-
них станціях становило 73,6 млрд кВт·год на рік, що еквівалент-
но економії близько 25 млрд м3 природного газу [1] і дозволяє
знизити на 148 млн т викиди СО2 в атмосферу. Відповідно до
експертних оцінок, теоретично можливий енергетичний по-
тенціал геотермальної енергії в Україні становить понад 40 ГВт
ДОЛІНСЬКИЙ
Анатолій Андрійович —
академік НАН України, доктор
технічних наук, професор,
завідувач відділу тепломасообміну
в дисперсних системах, почесний
директор Інституту технічної
теплофізики НАН України
ХАЛАТОВ Артем Артемович —
академік НАН України, доктор
технічних наук, професор,
завідувач відділу високотемпера-
турної термогазодинаміки
Інституту технічної теплофізики
НАН України
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 11 77
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
за потужністю, а економічно доцільний по-
тенціал — близько 10 ГВт [1], що еквівалентно
10 блокам сучасних атомних електростанцій.
Найперспективнішими регіонами для розви-
тку геотермальної енергетики в Україні є За-
карпаття, Сумська, Чернігівська, Херсонська,
Донецька, Луганська та Полтавська області.
Виробництво електроенергії
Стан проблеми. Першу у світі промислову
ГеоЕС потужністю 250 кВт було введено в екс-
плуатацію в 1904 р. в Італії. На сьогодні в Єв-
ропі експлуатуються близько 80 ГеоЕС, пер-
шість у виробництві електроенергії посідають
Італія, Ісландія і Туреччина [2]. До початку
2015 р. у світі працювали геотермальні елек-
тростанції загальною встановленою потужніс-
тю 12,64 ГВт, найбільший приріст потужнос-
тей за останні роки відзначено в Кенії, США,
Туреччині, Новій Зеландії та Індонезії.
Найбільша у світі встановлена потужність
ГеоЕС припадає на США і становить 3,45 ГВт
(5,6 ГВт за прогнозом на 2020 р.), до трійки
провідних країн входять також Філіппіни
(1,87 ГВт) та Індонезія (1,23 ГВт; за прогно-
зами — 3,5 ГВт у 2020 р.) [2]. Ісландія і Саль-
вадор на 25 % забезпечують власні потреби в
електричній енергії завдяки використанню
геотермальної енергії.
До 2030 р. світова геотермальна електро-
енергетика розвиватиметься прискореними
темпами, особливо, як очікується, в Ісландії,
Східній Африці, Центральній та Північній
Америці, США, Японії, Новій Зеландії, де є
найсприятливіші умови для її розвитку. Пе-
редбачається, що вже до 2020 р. сумарна по-
тужність геотермальних електростанцій досяг-
не 21,5 ГВт, до 2030 р. становитиме 25,0 ГВт, а
до 2050 р. — 75,0 ГВт [1—3].
Наприкінці 2015 р. Африканський Союз,
який об’єднує 54 країни, повідомив про виді-
лення в найближчому майбутньому 20 млрд
дол. США для створення 10 ГВт потужнос-
тей відновлюваної енергетики, в тому чис-
лі й для геотермальних проектів у Східно-
Африканській рифтовій долині. Азійський
банк розвитку запустив програму на суму
500 млн дол. США для підтримки Індонезії в
галузі геотермальної енергетики та інших від-
новлюваних джерел енергії. Американський і
Карибський банки виділили кредити і гранти в
розмірі 71,5 млн дол. США для розвитку нових
геотермальних проектів.
Основними перевагами геотермальної тех-
нології є невичерпність енергії, незалежність
виробництва електроенергії від пори року та
умов навколишнього середовища, менші вики-
ди вуглекислого газу і канцерогенних продук-
тів в атмосферу, незалежність від кон’юнктури
світових цін на енергоносії. Нещодавно, восени
2015 р. у Парижі відбулася конференція ООН
зі зміни клімату (СОР21), на якій відновлюва-
ні джерела енергії, в тому числі і геотермальну
енергетику, було визнано одним з провідних
напрямів і ефективним інструментом у бороть-
бі зі змінами світового клімату.
Важливою властивістю ГеоЕС є практично
незмінне електричне і теплове навантаження
протягом усього життєвого циклу (capacity
factor), яке досягає 92 % (для порівняння: в
ядерній енергетиці — 90 %, вугільній — 85 %,
наземній вітровій — 38 %, сонячній — 20 %).
Геотермальна електростанція не потребує для
розміщення великих площ, у середньому вона
займає 400 м2 у розрахунку на 1000 МВт·год
виробленої електроенергії (для вугільної ТЕС
цей показник становить 3600 м2). Типова Гео-
ЕС для своєї роботи споживає приблизно в 50
разів менше прісної води, ніж, наприклад, ТЕС
і АЕС [5].
Масштаби виробництва електроенергії з ге-
отермічної енергії залежать від багатьох фак-
торів, таких як геологія і геохімія місцевості,
інфраструктура в районі будівництва ГеоЕС,
середньорічна температура, дебіт та якість
води (мінералізація, температура на виході, га-
зонасиченість, жорсткість, кислотність тощо.).
Як правило, будівництво геотермальних стан-
цій пов’язане з довгостроковою стратегією і
тому має певний фінансовий ризик. Для бу-
дівництва ГеоЕС зазвичай необхідно 5—7 ро-
ків залежно від конкретних умов і потужнос-
ті станції, а життєвий цикл ГеоЕС становить
78 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (11)
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
30—50 років [5]. Зі збільшенням потужності
станції ризики, пов’язані з її будівництвом та
експлуатацією, значно зростають, тому біль-
шість країн з метою зниження ризиків віддає
перевагу ГеоЕС середньої потужності, на рівні
30—60 МВт. Наприклад, встановлена потуж-
ність Мутновської ГеоЕС (Камчатка, Росія)
становить 50 МВт з перспективою її збільшен-
ня всього до 70 МВт [4].
Питання екології відіграють важливу роль
у розвитку геотермальної енергетики. Видо-
буток термальної води і, особливо, її зворотне
закачування у водоносний шар або потраплян-
ня до навколишнього середовища можуть при-
звести до «отруєння» питної води і атмосфери
шкідливими продуктами, а також до форму-
вання гідророзривів, переміщень ґрунту, ло-
кальних землетрусів.
Україна має непогані перспективи для розви-
тку геотермальної електроенергетики. Регіони,
в яких є мінімально прийнятна для виробни-
цтва електрики температура термальної води
(від 900 °С) і достатній дебіт, — це Закарпат-
тя та Прикарпаття (понад 550 млн м3 на рік),
Чернігівська, Сумська та Херсонська області,
де можна створити мережу ГеоЕС малої потуж-
ності (0,05—5 МВт). У цьому разі доцільним
є застосування установок бінарного циклу з
низкокиплячим робочим тілом. У Закарпатті,
де на глибині 6 км температура гірських порід
становить 230—275 °С, а на глибині 2 км — 90—
100 °С, а також у Харківській області (майдан-
чик Ізюм) створення ГеоЕС електричною по-
тужністю 50 МВт може бути виправданим.
Загалом в Україні геотермальна електро-
енергетика може розвиватися за такими на-
прямами:
1. Середні ГеоЕС одиничною потужністю
10—20 МВт на базі родовищ з температурою
понад 120 °С.
2. Малі ГеоТЕС одиничною потужністю
0,05—5 МВт з температурою 90—120 °С.
3. Комбіновані електростанції з використан-
ням геотермальної енергії та органічних палив
(вугілля, газ, торф, біомаса).
4. Комбіновані енерготехнічні вузли для ви-
робництва електрики, тепла та отримання цін-
них продуктів з геотермальних вод.
Рис. 1. Відносна вартість і фінансові ризики на окремих етапах будівництва ГеоЕС [5]
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 11 79
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
Етапи будівництва геотермічних елек-
тростанцій та їх вартість. Повна вартість
будівництва ГеоЕС залежить від багатьох фак-
торів. Найбільші витрати пов’язані зі спору-
дженням самої станції, бурінням свердловин
і створенням системи сепарації пари. Найви-
щим є ризик на початкових стадіях проекту.
У таблиці наведено осереднену (мінімум-мак-
симум) оцінку вартості будівництва ГеоЕС
електричною потужністю 50 МВт з терміном
будівництва 7 років (за даними на 2012 р.).
Також вказано терміни початку і завершення
кожного етапу проекту протягом семирічного
періоду [5]. Загальна вартість будівництва ста-
новить $196 млн, або $3920 за 1 кВт встановле-
ної потужності.
Як випливає з рис. 1, найвищий фінансовий
ризик спостерігається на перших трьох етапах
будівництва ГеоЕС, хоча витрати на реалізацію
проекту ще не такі значні. На подальших ета-
пах він швидко знижується.
Згідно з наявними даними [1, 5], питома вар-
тість 1 кВт встановленої потужності ГеоЕС не
перевищує питомої вартості сучасної вугільної
ТЕС з повним очищенням продуктів згоряння,
яка сьогодні сягає $5 тис., і вартості потужної
гідроелектростанції з коефіцієнтом викорис-
тання встановленої потужності на рівні 60 %
($4,4 тис. за 1 кВт встановленої потужності).
Загалом, геотермальна енергетика є конкурен-
тоспроможною порівняно з сучасними елек-
тростанціями за питомою вартістю електро-
енергії і термінами спорудження ГеоЕС.
Схеми геотермальних станцій для ви-
робництва електроенергії. Зазвичай для ви-
роблення електрики на ГеоЕС використову-
ють термальну воду з температурою 120 °С і
вище. У разі більш низької температури води
(90—100 °С) можливі варіанти використання
бінарного циклу або підігріву води за допомо-
гою місцевих енергоносіїв (вугілля, газ, біома-
са). В останньому випадку необхідно викорис-
товувати воду з достатньо низькою мінераліза-
цією або застосовувати систему попереднього
очищення води. З урахуванням геологічних
особливостей будівництво ГеоЕС у кожному
конкретному випадку потребуватиме окремо-
го техніко-економічного обґрунтування вико-
ристовуваної схеми.
Найбільш відомі три основні схеми роботи
ГеоЕС [1, 4, 5]:
1) пряма схема з використанням сухої (гео-
термальної) пари;
2) непряма схема, на основі гідротермальної
води;
3) бінарна схема.
Застосування тієї чи іншої схеми залежить
від агрегатного стану теплоносія і його темпе-
ратури. У промисловості найбільш освоєною
є пряма схема, за якої пара, що надходить зі
свердловини, подається на парову турбіну.
У ГеоЕС непрямої схеми використовують га-
рячу підземну воду, яка під високим тиском
нагнітається у випарник, де при «скиданні»
тиску деяка частина її випаровується, і отри-
мана пара надходить на турбіну. У ряді випад-
ків потрібні додаткові пристрої і контури для
очищення геотермальної води і пари від агре-
сивних газів та сполук. Відпрацьована пара
подається в свердловину нагнітання або може
використовуватися для локального опалення
приміщень.
Осереднена вартість будівництва ГеоЕС
потужністю 50 МВт
№ Етап
Вартість,
$ млн
Термін, рік
виконання
1 Попередній аналіз гео-
термічного «поля», оцінка
ринку 2 1-й
2 Геологія (геофізика, геохі-
мія, сейсміка та ін.) 3 1—2-й
3 Тестове буріння, оцінка
запасів 18 3—4-й
4 Розроблення проекту 7 2—4-й
5 Розроблення «геополя»,
буріння до 20 свердловин
для вибору найприйнят-
ніших 70 4—5-й
6 Спорудження ГеоЕС 75 5—7-й
7 Монтаж допоміжних сис-
тем 16 6—7-й
8 Пуск і початок експлуата-
ції ГеоЕС 5 7-й
80 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (11)
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
На бінарних ГеоЕС (температура термальної
води 90 °С і вище) гаряча вода взаємодіє з рі-
диною у другому контурі, яка виконує функції
робочого тіла з нижчою температурою кипін-
ня (як правило, це фреони) [4]. Обидві рідини
проходять через теплообмінник, де гаряча тер-
мальна вода випаровує низькокиплячу робочу
рідину, пара якої спрямовується в турбіну. Ця
система замкнута, що значною мірою вирішує
проблему шкідливих викидів в атмосферу. Ви-
користання робочого тіла з порівняно низькою
температурою кипіння дозволяє застосовува-
ти як первинне джерело енергії не дуже гарячі
термальні води.
За умови невисокої мінералізації відпрацьо-
вана термальна вода після охолодження може
скидатися в поверхневі води. Інший шлях —
закачування її назад у водоносний пласт через
нагнітальну свердловину, що нині застосову-
ють усе частіше. Однак в обох випадках вини-
кають проблеми екологічного характеру.
На сьогодні відомі і використовуються у
світовій практиці п’ять типів геотермальних
станцій [5], їх класифікацію наведено на рис. 2.
Схеми Single Flash і Double Flash (рис. 3) мають
один або два ступені (високого і низького тис-
ку) сепарації пари і води, їх використовують за
температури робочого тіла понад 140 °С і засто-
совують на ГеоЕС потужністю від 25 до 60 МВт.
Схему Dry Steam (сухої пари) використовують
у тих випадках, коли теплоносієм є пара від-
носно низької ентальпії (Каліфорнія, Італія,
Індонезія). Ця схема близька до схеми Single
Flash, але не потребує сепаратора рідини і пари.
Таким установкам властива експлуатаційна на-
дійність і відносно висока ефективність.
На рис. 4 наведено схему бінарної ГеоЕС з
низькотемпературним робочим тілом на основі
органічного циклу Ренкіна (ORC-Cycle). Її ви-
користовують за температури робочого тіла від
90 до 200 °С у поєднанні зі звичайною паровою
турбіною. За умови використання низькоки-
плячого робочого тіла таку схему можна засто-
совувати за температури термальної води від
90 °С, а при підігріванні води місцевими енерго-
носіями — до 200 °С. Ця схема найбільш поши-
рена на малих ГеоЕС потужністю 0,1—5,0 МВт,
Рис. 2. Відносна частка генерації електрики геотер-
мальними станціями різного типу [5]
Рис. 4. Схема бінарної ГеоЕС на основі органічного
циклу Ренкіна [5]
Рис. 3. Типова схема ГеоЕС двоступеневої схеми
(Double Flash) [5]
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 11 81
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
оскільки в цьому разі істотно знижуються фі-
нансові ризики і невизначеності під час буріння
свердловин. Сьогодні лідерами у виробництві
низькотемпературних енергетичних систем є
Ізраїль, Італія і США, а у виробництві електро-
генераторів для малих ГеоЕС — Японія.
Залежно від температури термальної води
для виробництва електроенергії використову-
ють паротурбінні, гідропаротурбінні і гео тер-
мально-паливні установки. В Україні значна
частина розвіданих родовищ мають темпера-
туру води на рівні 90—130 °С, досить високу
мінералізацію і газонасиченість. За таких умов
найбільш доцільним є використання устано-
вок бінарного циклу з низькокиплячим робо-
чим тілом. Хорошим прикладом практичного
використання бінарного циклу з ізобутаном як
робочим тілом у другому контурі за темпера-
тури води 143 °С є ГеоЕС потужністю 5 МВт,
побудована у штаті Айдахо (США). За умови
використання помірно мінералізованої, слаб-
когазонасиченої і некорозійної води з темпе-
ратурою понад 120 °С можуть бути застосовані
паротурбінні установки зі ступінчастим роз-
ширенням пароводяної суміші [5].
У класі геотермально-паливних енергетич-
них установок в Україні на газово-гео тер маль-
них майданчиках (зокрема, Руські Комарівці
на Закарпатті) або на родовищах з високою на-
сиченістю горючими газами можливе викорис-
тання ГеоЕС на основі малих газотурбінних
установок [1]. На родовищах термальних вод
з великою кількістю горючих природних газів
(Галицьке родовище, Полтавська обл.; Крим)
можливе використання газодизельних устано-
вок малої потужності [1].
Техніко-економічні показники геотерміч-
них електростанцій. За даними щодо розви-
тку світової геотермальної енергетики, середня
питома вартість ГеоЕС електричною потужніс-
тю 50 МВт становить вiд $2,8 до $5,5 тис. за
1 кВт встановленої потужності [1, 5]. Згідно з
даними Міжнародного агентства з відновлюва-
них джерел енергії IRENA, вартість 1 кВт вста-
новленої потужності ГеоЕС у світі становить
вiд $1,85 до $5,10 тис., тоді як вартість промис-
лових вітростанцій — $1,5—1,6 тис., сонячних
електростанцій — $1,6—4,34, малої гідроелек-
тростанції — $0,45—3,50 [3]. У разі аномально
низької глибини свердловини і високої темпе-
ратури води питома вартість будівництва Гео-
ЕС електричною потужністю 140 МВт може
становити близько $1,0 тис. (Кенія).
Капітальні витрати на будівництво самої
електростанції становлять 45—55 % від вар-
тості проекту ГеоЕС. Середня вартість буріння
свердловин при створенні ГеоЕС потужністю
50 МВт оцінюється у близько $70 млн. Ця сума
включає буріння 20 малих «пробних» свердло-
вин діаметром 15 см і глибиною 2000—3000 м
загальною вартістю $35 млн та 3—5 свердловин
більшого діаметра (понад 20 см) приблизно та-
кої самої вартості [5]. Вища вартість буріння
свердловин діаметром понад 20 см зумовлена
використанням важкого бурового обладнання.
Загалом залежно від конкретних умов і гли-
бини вартість буріння свердловини діаметром
15 см становить $0,5—1,0 млн за 1 км, а діаме-
тром понад 20 см — від $2 до $6 млн. Для бу-
ріння однієї свердловини діаметром більш як
20 см і глибиною 3 км для ГеоЕС потужністю
50 МВт може знадобитися до 60 днів залеж-
но від геологічних особливостей місцевості, а
буріння повного комплекту з 20 свердловин
може тривати й понад рік [5].
У 2012 р. у світі було пробурено понад 4000
геотермічних свердловин. Під час свердлін-
ня на геотермічних полях Індонезії успішне
рішення щодо визначення свердловин з при-
йнятними дебітом і температурою води прихо-
дило після буріння 5—6 свердловин [5].
Витрати на експлуатацію ГеоЕС досить ста-
більні, оскільки вони практично не залежать
від кон’юнктури ринкових цін на органічні
енергоносії. За умови річної завантаженості
ГеоЕС на рівні 80 % капітальні та експлуата-
ційні витрати становлять $444 на 1 кВт·год
виробленої електричної енергії. Для дизельних
електростанцій цей показник становить $868,
для вугільних — $658, для газових турбін ком-
бінованого циклу на природному газі — $453.
Повністю автоматизована ГеоЕС електричною
потужністю 50 МВт потребує для обслугову-
вання всього 20 чоловік [3, 5].
82 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (11)
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
Собівартість 1 кВт·год електроенергії не-
значною мірою залежить від місця розташу-
вання і потужності електростанції. В Ісландії
для ГеоЕС потужністю 500 МВт вона стано-
вить 3,0—5,0 центів США, в Індонезії (Гео-
ЕС потужністю 1000 МВт) — 4,5—7,0, на Фі-
ліппінах (2000 МВт) — 4,0—5,5, в Коста-Риці
(200 МВт) — 4,0—5,0. У цілому, ці показники
зіставні з собівартістю електроенергії, що ге-
нерується останнім часом на ТЕС (6,6 центів
США), але трохи вищі, ніж на потужних гідро-
електростанціях [2, 5].
Для оцінки перспективності будівництва
електростанцій, що використовують той чи
інший вид енергоносія, за кордоном широко
застосовується параметр, відомий як LEC-
фак тор (Levelized Energy Cost). Це відношен-
ня всіх витрат на виробництво електроенергії
станцією за період її життєвого циклу (почат-
кові інвестиції, вартість обслуговування, ціна
палива, кредити, відсотки тощо) до величини
виробленої електроенергії за цей самий період
($/1,0 МВт·год) [5]. Цей економічний показ-
ник визначає середню собівартість електро-
енергії протягом життєвого циклу електроге-
неруючого об’єкта і дозволяє порівняти елек-
тростанції, що працюють на різних джерелах
енергії.
Оцінки міжнародної організації OpenEI
(Open Energy Information), яка була ство-
рена Міністерством енергетики США (US
DOE), зроблені в 2009 р., свідчать про такі
середньосвітові значення цього показника
($/1,0 МВт·год), розраховані на 2019 р. [5]:
• сучасна ядерна енергетика — 96,1;
• сучасна вугільна енергетика — 95,6;
• гідроелектростанції — 84,5;
• когенераційні установки — 66,3;
• найефективніші газові турбіни (природ-
ний газ) —103,8;
• вітрові наземні установки — 80,3;
• біомаса — 102,6;
• промислові сонячні установки — 243,1;
• геотермальна енергетика — 47,9.
Отже, за LEC-фактором геотермальна енер-
гетика не лише не поступається сучасним тех-
нологіям виробництва електроенергії (атомна,
вугільна, гідроенергія), а й істотно перевершує
їх. Вона також випереджає показники інших
відновлюваних джерел енергії, таких як вітер,
Сонце, біомаса.
Згідно з даними SunPower (Україна), в
2013 р. значення LEC-фактора для геотер-
мальної енергетики США становило 89—142,
або 8,9—14,2 цента США за 1 кВт·год електро-
енергії (без урахування державних субсидій).
Отже, у найближчі 6 років собівартість будів-
ництва ГеоЕС може знизитися в 2—3 рази. Від-
значимо, що ціна електроенергії, одержуваної
на газових і вугільних електростанціях США,
останніми роками практично стабілізувалася
і становить 6,1 і 6,6 центів США за 1 кВт·год
відповідно.
Виробництво теплової енергії
Набагато ширше геотермальну енергію вико-
ристовують у системах локального опалення
і гарячого водопостачання (до 85 % від по-
тужності світової геотермальної енергетики).
Наприклад, в Ісландії близько 93 % житлових
приміщень опалюються завдяки геотермаль-
ній енергії. Як показують розрахунки, у цьому
випадку собівартість теплової енергії вдвічі
нижча за собівартість енергії, отриманої при
спалюванні природного газу [1, 2].
За температури термальної води 20 °С і
вище її можна використовувати у поєднанні
з тепловими насосами, за температури 30—
60 °С — в панельних системах, за температури
40—50 °С — в системі теплої підлоги, за темпе-
ратури 30—80 °С — в гарячому водопостачанні
та в снігоплавильних пунктах. За температури
води менш ніж 100 °С її широко застосовують
в агропромисловому комплексі (сушарки, те-
плиці, риборозведення тощо), у бальнеології
(басейни, лікувальні мінеральні води), в про-
мисловості (сушіння матеріалів і продуктів).
Після підігріву до 100—120 °С термальна вода
може використовуватися при виробництві
кормів і паперу, в геотермальних холодильних
установках (теплота в холод). Однак у всіх ви-
падках залишається проблема хімічного і газо-
очищення термальної води.
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 11 83
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
Уже в 2000 р. у світі експлуатувалися про-
мислові геотермальні теплові станції загаль-
ною встановленою потужністю 16,4 ГВт з річ-
ним виробітком понад 120 млн Гкал теплової
енергії [2, 3]. Встановлена потужність тепло-
вих геотермальних станцій на той період ста-
новила в США 3,77 ГВт, в Китаї — 2,28 ГВт, в
Ісландії — 1,47 ГВт, в Японії — 1,17 ГВт.
На сьогодні в Європі працюють близько 250
ГеоТЕС встановленою потужністю 4,5 ГВт,
які виробляють близько 33 млн Гкал тепло-
вої енергії для систем опалення (еквівалент
3,8 млрд м3 природного газу). В Євросоюзі є
165 ГеоТЕС, шо виробляють 3,7 млн Гкал те-
плової енергії (еквівалент 0,4 млрд м3 природ-
ного газу). Найбільш інтенсивно, з серйозною
державною підтримкою системи геотермаль-
ного теплопостачання розвиваються у Фран-
ції, Німеччині, Польщі, Ісландії, Угорщині.
Використання ГеоТЕС у Франції (вста-
новлена потужність близько 0,75 ГВт) заоща-
джує понад 640 млн м3 природного газу на
рік і знижує викиди СО2 на 1,8 млн тонн. Для
теплопостачання використовують воду тем-
пературою 55—85 °С. У передмістях Парижа
працюють 33 геотермальні установки, що опа-
люють 170 тис. будинків (0,17 ГВт; економія
144 млн м3 природного газу). Очікується, що
в перспективі геотермальні станції забезпечать
майже 60 % теплопостачання Парижа. У Поль-
щі термальну воду з температурою 25—90 °С
також широко застосовують для локального
теплопостачання.
У геотермальній теплоенергетиці можна
використовувати воду різної мінералізації.
У системах з теплою підлогою мінералізація
води може бути до 35 г/л, у гарячому водо-
постачанні — не повинна перевищувати 10 г/л.
В опалювальних котельнях і системах з тепло-
вими насосами вода має бути з низькою мі-
нералізацією — до 5 г/л. В іншому разі схеми
теплопостачання значно ускладнюються через
необхідність використання систем хімгазоочи-
щення і спеціальних теплообмінників.
Крім ступеня мінералізації при створенні
ГеоТЕС потрібно враховувати й інші характе-
ристики термальної води, такі як жорсткість,
кислотність, газовий склад і газонасиченість.
Наприклад, газонасиченість може змінюва-
тися від 100 до 1000 мг/л. Високі рівні цих
параметрів потребують використання висо-
ковартісних систем очищення води та газовід-
ділення, а також спеціальних конструкційних
матеріалів.
Питома вартість будівництва перших Гео-
ТЕС становила $2,5—3,0 тис. за 1 кВт встанов-
леної потужності. Більшість введених в остан-
ні роки в експлуатацію ГеоТЕС мали вартість
$1,2—2,0 тис. за 1 кВт. Собівартість 1 Гкал те-
плоти, виробленої за рахунок геотермальної
енергії, в Європі (Чехія) становить 15—25 євро.
Для порівняння: в Києві з 1 березня 2016 р.
відпускна вартість теплової енергії становить
близько 21 євро за 1 Гкал.
В Україні експлуатуються кілька експери-
ментальних ГеоТЕС. У Криму діють 11 екс-
периментальних установок (температура води
50—85 °С) сумарною потужністю 20,5 МВт з
річним виробітком близько 155 000 Гкал те-
плової енергії. При цьому потужність окремих
теплоенергетичних установок становить від
0,4 до 3,9 МВт. Ресурси геотермальної тепло-
енергетики України, підготовлені для освоєн-
ня (температура води 60—80 °С), становлять
понад 1 ГВт теплової потужності. Найперспек-
тивніші регіони — Закарпаття, Сумська, Чер-
нігівська, Херсонська та Полтавська області.
Екологічні аспекти будівництва
і експлуатації ГеоЕС і ГеоТЕС
До негативних сторін ГеоЕС і ГеоТЕС слід
віднести забруднення атмосфери газами і хі-
мічне забруднення води та ґрунту на етапах
будівництва й експлуатації. Головне джерело
хімічного забруднення — термальна вода, яка
залежно від родовища має широкий діапазон
мінералізації (прісна, солонувата, розсільна),
жорсткості (дуже м’яка, м’яка, дуже жорстка) і
кислотності (сильно- або слабокисла, лужна).
За газовим складом термальна вода поділя-
ється на сірководневу, вуглекислу, метанову,
азотну, а за газонасиченістю — на слабконаси-
чену (до 100 мг/л), середню (100—1000 мг/л) і
84 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (11)
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
високонасичену (понад 1000 мг/л). Термальні
флюїди (вода і пара) містять вуглекислий газ,
сульфід сірки, аміак, метан, кухонну сіль, бор,
миш’як, ртуть та інші продукти. У разі викиду
в навколишнє середовище вони стають джере-
лами забруднення. Агресивне хімічне сере до-
вище може спричинити корозійні руйнування
конструкцій ГеоЕС і ГеоТЕС. Що стосується
викидів вуглекислого газу на 1 кВт·год елек-
троенергії, виробленої на ГеоЕС, то вони до-
сить малі і становлять 380 г, тоді як на вугіль-
них ТЕС — 1042 г, мазутних ТЕС — 906 г, газо-
вих ТЕС — 453 г.
При бурінні свердловини можливе руйнуван-
ня ґрунтово-рослинного покриву, забруднення
ґрунту і ґрунтових вод. Видобуток термальної
води з водоносних пластів може спричинювати
просідання і переміщення ґрунту, деформації
геологічних шарів, мікроземлетруси. Імовір-
ність таких явищ, як правило, невелика, хоча
окремі випадки були зафіксовані, наприклад на
ГеоЕС в м. Штауфен-ім-Брайсгау (Німеччина).
Певні проблеми при бурінні свердловин,
будівництві та експлуатації ГеоЕС і ГеоТЕС
створює водень, який є скрізь і запаси якого на
глибині 2—3 км досить значні. Вихід глибин-
ного газоподібного водню на поверхню через
розломи і тріщини (близько 2,5 трлн тонн що-
року) дуже небезпечний — сполучення водню
з атмосферним киснем призводить до потуж-
них вибухів вакуумного типу (імплозія) з дуже
сильними руйнуваннями, що підтверджується
десятками випадків руйнування будівель у Ро-
сії в останні роки.
Петротермальна енергетика
В останні роки вивчають можливість викорис-
тання петротермальної енергетики для отри-
мання електричної енергії. Для цього бурять
дві з’єднані між собою вертикальні свердло-
вини — нагнітальну та експлуатаційну. У на-
гнітальну свердловину закачують воду, на ве-
ликій глибині (10—12 км) вона нагрівається
до 200—250 °С, потім нагріта вода або пара екс-
плуатаційною свердловиною подається на по-
верхню. Можливий замкнутий цикл із закачу-
ванням відпрацьованої пари і води в нагніталь-
ну свердловину або інший спосіб утилізації.
Лідером у створенні петротермальних цирку-
ляційних систем є Австралія. Цей напрям та-
кож активно розвивається в США, Швейцарії,
Великій Британії, Японії, Росії (Тирниауз), де
створено одиничні дослідні циркуляційні сис-
теми зі штучними колекторами.
Проблема створення такої станції очевидна:
для отримання достатньо високої температури
робочої рідини потрібно бурити свердловину
на велику глибину. Це серйозні витрати і ри-
зик значних втрат теплоти при русі термальної
води нагору. Буріння свердловини глибиною
до 12 км на сучасному технологічному рівні
є технічно складним, оскільки за температу-
ри 200—250 °С традиційні інструменти для
буріння виходять з ладу. Є також труднощі з
обслуговуванням глибоких свердловин, зака-
чування води на таку глибину технічно склад-
не і потребує великих витрат енергії і дорогих
матеріалів, свердловина може вийти з ладу в
разі переміщень ґрунту або землетрусів. Тому
петротермальні системи поки що менш поши-
рені порівняно з гідротермальними, хоча по-
тенціал петротермальної енергетики в тисячі
разів вищий. У разі успішного вирішення тех-
нічних проблем людство отримає практично
вічне джерело енергії в будь-якій точці світу.
Росія сьогодні активно працює над ство-
ренням принципово нової технології буріння
на великі глибини, яка дозволить зробити пе-
тротермальну енергетику рентабельною. Вона
ґрунтується на створенні «бурових снарядів»,
використання яких дозволить досягати вели-
ких глибин з високою швидкістю. Перший етап
робіт пов’язаний зі створенням свердловин
діаметром 200—500 мм за швидкості проходки
30 м на годину. Другий етап — зі створенням
свердловин діаметром 500—1000 мм, при цьо-
му проходження свердловини становитиме
1 км за кілька годин. За сприятливих обставин
питома вартість петротермальної станції може
становити від 1600 до 4000 дол. США за 1 кВт
встановленої потужності, що можна порівняти
з витратами на будівництво сучасних теплових
і атомних електростанцій.
ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2016, № 11 85
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
Вартість буріння глибоких свердловин ста-
новить 70—90 % від загальної вартості петро-
термальної станції. Для станції потужністю
100 МВт вартість 1 км свердловини за новою
російською технологією може становити від
$10 до $25 млн, що можна порівняти з ниніш-
німи витратами на буріння свердловин у гідро-
термальній енергетиці.
Петротермальні ресурси в основному відпо-
відають платформним структурам. В Україні
такими структурами є Український кристаліч-
ний щит і частина Воронезького кристалічно-
го масиву. Прогнозні ресурси таких структур
становлять 3,3 ·1014 ГДж [1]. Однак для Укра-
їни петротермальна енергетика — це поки що
більш далека перспектива.
Висновки
Сьогодні сумарна потужність ГеоЕС і ГеоТЕС
у світі становить близько 85 ГВт (13 ГВт —
електрика; 72 ГВт — виробництво теплоти).
Теоретично можливий енергетичний потенці-
ал геотермальної енергетики України стано-
вить понад 40 ГВт за потужністю, а економічно
доцільний — близько 10 ГВт. Для довідки: тех-
нічно задіяна електрична потужність енерге-
тики України — 25—30 ГВт.
Геотермальна електроенергетика має локаль-
ні можливості для розвитку в Україні. Перспек-
тивними є Закарпаття та Харківська область,
де на глибинах до 6000 м температура води ста-
новить 230—275 °С. Тут можуть бути створені
потужні ГеоЕС сумарною потужністю 100 МВт
і більше. Також перспективними районами з
прийнятною температурою (90—120 °C) і дебі-
том термальної води є Чернігівська, Львівська
та Сумська області, де можуть бути створені
ГеоЕС малої потужності (0,1—5 МВт). За таких
температур найбільш перспективна бінарна
схема з низкокиплячим робочим тілом.
В Україні геотермальна електроенергетика
може розвиватися за такими напрямами:
а) середні ГеоЕС одиничною потужністю
10—20 МВт на базі родовищ з температурою
понад 120 °С;
б) малі ГеоТЕС одиничною потужністю
0,05—5 МВт;
в) комбіновані електростанції з використан-
ням геотермальної енергії та органічних палив
(вугілля, газ, торф, біомаса);
г) комбіновані енерготехнічні вузли для ви-
робництва електрики, теплоти й отримання
цінних продуктів з геотермальних вод.
Більш широкі перспективи в Україні має
геотермальна теплоенергетика для викорис-
тання в системах локального опалення та гаря-
чого водопостачання, в сільському господар-
стві, бальнеології та промисловості. Сьогодні
в Криму працюють 11 ГеоТЕС (температура
води 50—85 °С) одиничною потужністю від 0,4
до 3,9 МВт і сумарною потужністю 20,5 МВт.
Ресурси геотермальної теплоенергетики Укра-
їни, готові для освоєння (температура води
60—80 °С), становлять понад 1 ГВт теплової
потужності. Найбільш перспективні регіони —
Закарпаття, Сумська, Чернігівська, Херсон-
ська та Полтавська області.
У геотермальній теплоенергетиці можливе
використання термальної води з мінераліза-
цією до 35 мг/л; у гарячому водопостачан-
ні — до 10 мг/л; у котельнях і при застосу-
ванні теплових насосів — до 5 мг/л. У разі
мінералізації води понад 35 мг/л необхідні
системи очищення. Широкий діапазон жор-
сткості, кислотності і газонасиченості тер-
мальної води вимагає застосування спеці-
альних матеріалів у конструкції елементів
ГеоЕС і ГеоТЕС.
Однією з серйозних проблем геотермальної
енергетики є екологічно небезпечні продукти,
що містяться в термальній воді. Видобуток та-
кої води та її скидання у водоносні шари або
в навколишній простір можуть призвести до
забруднення питної води, переміщень ґрунту і
локальних землетрусів.
З огляду на сучасні світові тенденції, слід ак-
тивізувати вивчення в інститутах НАН Украї-
ни науково-технічних проблем геотермальної
енергетики з метою накопичення бази даних і
підготовки обґрунтованих технічних завдань
проектів ГеоЕС і ГеоТЕС в Україні.
86 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2016. (11)
СТАТТІ ТА ОГЛЯДИ
REFERENCES
[СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ]
1. Кудря С.О. Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії. Підручник. К:. НТУУ КПІ, 2012.
2. Bertani R. Geothermal Power Generation in the World 2010—2014 Update Report. World Geothermal Congress 2015.
(19—25 April 2015, Melbourne, Australia). https://pangea.stanford.edu/ERE/db/WGC/papers/WGC/2015/01001.
pdf.
3. World Geothermal Congress 2015. Media Portal. htpp://www.geothermalpress.com/.
4. Манушин Э.А., Бирюков В.В. Паротурбинная установка геотермальной электростанции бинарного цикла для
геотермальных месторождений Камчатского края. Наука и образование. 2011. № 13. http://technomag.bmstu.
ru/doc/220323.html.
5. Geothermal Handbook: Planning and Financing Power Generation. The World Bank. Technical Report 002/12,
72828. Energy Sector Management Assistance Program (ESMAP). http://documents.worldbank.org/curated/
en/396091468330258187/pdf/728280NWP0Box30k0TR0020120Optimized.pdf.
Стаття надійшла 22.03.2016.
A.A. Dolinskiy, A.A. Khalatov
Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Sciences of Ukraine (Kyiv)
GEOTHERMAL ENERGY: THE ELECTRICITY AND THERMAL ENERGY PRODUCTION
The brief review of the geothermal energy application for the electricity and thermal energy production is given. The
prospects of the geothermal energy application in Ukraine are considered.
Keywords: geothermal engineering, geothermal technologies, petrothermal engineering.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109877 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0372-6436 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:59:32Z |
| publishDate | 2016 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Долінський, А.А. Халатов, А.А. 2016-12-19T15:21:23Z 2016-12-19T15:21:23Z 2016 Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії / А.А. Долінський, А.А. Халатов // Вісник Національної академії наук України. — 2016. — № 11. — С. 76-86. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109877 У статті наведено короткий огляд сучасного стану і розвитку геотермальної енергетики у світі. Розглянуто перспективи використання геотермальної енергетики в Україні для виробництва електричної і теплової енергії. The brief review of the geothermal energy application for the electricity and thermal energy production is given. The
 prospects of the geothermal energy application in Ukraine are considered. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Статті та огляди Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії Geothermal energy: the electricity and thermal energy production Article published earlier |
| spellingShingle | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії Долінський, А.А. Халатов, А.А. Статті та огляди |
| title | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії |
| title_alt | Geothermal energy: the electricity and thermal energy production |
| title_full | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії |
| title_fullStr | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії |
| title_full_unstemmed | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії |
| title_short | Геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії |
| title_sort | геотермальна енергетика: виробництво електричної і теплової енергії |
| topic | Статті та огляди |
| topic_facet | Статті та огляди |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109877 |
| work_keys_str_mv | AT dolínsʹkiiaa geotermalʹnaenergetikavirobnictvoelektričnoííteplovoíenergíí AT halatovaa geotermalʹnaenergetikavirobnictvoelektričnoííteplovoíenergíí AT dolínsʹkiiaa geothermalenergytheelectricityandthermalenergyproduction AT halatovaa geothermalenergytheelectricityandthermalenergyproduction |