Геотермальная энергия – это физическое тепло глубинных слоев земли, которые характеризуются гораздо большей температурой, чем температура воздуха на поверхности. Носителями подобной энергии могут быть воды или пароводяные смеси, а также сухая горная порода, расположенная в соответствующих глубинах.

В недрах Земли сосредоточено колоссальное количество тепловой энергии. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит главным образом за счет теплопроводности (геотермальное тепло) и реже – в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды. В общем, тепловой поток, текущий из недр Земли через её поверхность, составляет около 47 ТВт тепла (400 тыс. ТВт*ч в год, что в 17 раз больше всей мировой выработки, и эквивалентно сжиганию 46 млрд. тонн угля). Однако средний поток геотермального тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м² (в тысячи и десятки тысяч раз меньше плотности солнечного излучения), что затрудняет её использование. В то же время существуют районы с повышенным градиентами температуры, где потоки составляют примерно 10-20 Вт/м², что позволяет реализовать геотермальные станции тепловой мощности 100 МВт/км²  и продолжительностью срока эксплуатации не менее 20 лет [49 – 151 с.].

Более доступные для использования гидрогеотермальные ресурсы: термальные воды, пароводяные смеси и сухой пар.

По основному энергетическому показателю – температурные термальные воды подразделяются на высокопотенциальные (более 100 ºC), среднепотенциальные (70-100 ºC) и низкопотенциальные (менее 70 ºC).

Очевидно, большей энергетической ценностью обладают высокопотенциальные воды рифтовых и вулканических районов. Основные запасы гидротермальных ресурсов связаны с пластовыми артезианскими бассейнами.

Распределение доступной геотермальной энергии на континентах весьма неравномерно и обусловлено в основном структурно-тектоническими условиями конкретных районов.

Наиболее распространенными и эффективными сферами применения геотермальной энергии являются отопление, горячее и техническое водоснабжение объектов в различных отраслях деятельности: электроэнергетике, промышленности, сельском хозяйстве. А оптимальный энергетический эффект может быть достигнут за счет создания определенных систем отопления и повышения перепада температур.

Например, жилые и производственные помещения столицы Исландии Рейкьявик главным образом отапливаются за счет энергии геотермальных вод.

На рисунке 11 представлена диаграмма отражающая рост мощности геотермальной энергетики с 2010 по 2019 год.

Рисунок 11 – Диаграмма развития мощности геотермальной энергетики в период с 2010 по 2019 год.

По диаграмме видно, что в мире наблюдается постепенное наращивание мощностей геотермальных электростанций. Так за последнее десятилетие мощность станций возросло на 3939 МВт (2010 г. – 9992  МВт, 2019 г. – 13991 МВт, около 0,55% от общей мощности возобновляемой энергетики во всем мире). В 2019 году на геотермальных электростанциях в общем было произведено 85978 ГВт*ч электроэнергии.

Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, суммарная мощность ее геотермальных электростанций составляет 2550,3 МВт (смотри рисунок - 12).

Рисунок 12 – Рейтинг стран по суммарной мощности геотермальных электростанций на 2019 год

Стоит отметить, что крупнейшая и самая мощная геотермальная электростанция под названием «Оклария IV» расположена в Кении. Мощность данной станции – 140 МВт.

Преимущества геотермальной энергетики.

Основным достоинством геотермальной энергии является неисчерпаемость ее запасов и независимость от внешних условий окружающей среды, времени суток и года. Вдобавок к этому коэффициент использования установленной мощности геотермальной электростанции может составить 80%, тогда как станции, работающие за счет других альтернативных источников энергии неспособны достичь данной отметки.

Безусловным преимуществом геотермальной энергии является то, что она относится к экологически чистым источникам. Количество углекислого газа, выделяемого при производстве 1 кВт*ч электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет в среднем 65 г. В то же время эмиссия углекислого газа при сжигании природного газа составляет 453 г на 1 кВт*ч, нефти – 906 г на 1 кВт*ч и угля – 1042 г на 1 кВт*ч. Химические соединения геотермального потока (в основном азот и сероводород, а также  в небольших пропорциях ртуть, радон и бор) не выбрасываются в атмосферу, а с помощь специальных скважин возвращаются назад в глубь недр [53].

Недостатки геотермальной энергетики:

1) Значительные экономические затраты на строительство станции. Несмотря на то, что геотермальные электростанции имеют низкие эксплуатационные расходы, стоимость их строительства может быть намного выше, чем угольных, нефтяных и газовых электростанций. Большая часть этих затрат касается разведки и бурения геотермальных энергетических ресурсов. Дело в том, что для генерации электроэнергии целесообразно использовать геотермальную воду температурой от 150°C и выше. Даже для отопления и горячего водоснабжения требуется температура не ниже 50°C. Но, температура Земли растет с глубиной довольно медленно, обычно геотермический градиент составляет всего 30°C на 1 км, т.е. даже для горячего водоснабжения потребуется скважина глубиной более километра, а для генерации электроэнергии – несколько километров. Бурение таких глубоких скважин обходится дорого. Еще станции требуют специально разработанных систем отопления и охлаждения, а также другого оборудования, способного выдерживать высокие температуры.

2) Географические ограничения. Геотермальная активность наиболее высока вдоль тектонических линий разломов в земной коре. Именно в этих местах геотермальная энергия имеет самый большой потенциал. Недостаток в том, что немногие страны могут использовать геотермальные ресурсы. Практически все крупные геотермальные электростанции расположены в местах повышенного вулканизма – Камчатка, Исландия, Филиппины, Кения, поля гейзеров в Калифорнии и т.д, где геотермический градиент гораздо выше, а геотермальные воды находятся близко к поверхности.

Ввиду географических особенностей, следующие страны являются основными производителями геотермальной энергии: США, Исландия, Кения, Индонезия, Филиппины, Мексика.

3) Экологическая проблема.

Одна из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости возобновляемого цикла поступления (закачки) воды (обычно отработанной) в подземный водоносный горизонт, на что требуется расход энергии. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, свинца, цинк, кадмия), неметаллов (например, бора, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Закачка отработанной воды необходима еще и для того, чтобы давление в водоносном пласте не упало, что приведет к уменьшению выработки геотермальной станции или её полной неработоспособности.