В настоящей статье рассматривается геотермальная энергия как перспективный и устойчивый источник чистой энергии, играющий ключевую роль в глобальном энергетическом переходе. Анализируются уникальные геологические условия регионов, способствующие развитию данной технологии, и ее возможное влияние на энергетический баланс, экономику и экологию. Особое внимание уделяется текущему состоянию геотермальных ресурсов в России, основным технологиям производства электроэнергии, а также ключевым проблемам эксплуатации, таким как солеотложение и коррозия. В статье освещаются преимущества геотермальной энергетики, включая ее неисчерпаемость, экологичность и способность обеспечивать базовую нагрузку, а также присущие ей недостатки, в частности, высокая стоимость разработки и необходимость утилизации отходов. Делается вывод о критической необходимости дальнейших исследований, технологических инноваций и стратегических инвестиций для эффективного освоения геотермального потенциала и его полноценного вклада в достижение национальных энергетических и экологических целей.
Ключевые слова: геотермальная энергия, возобновляемые источники энергии, геотермальные ресурсы, геотермальные электростанции, проблемы эксплуатации, перспективы развития, энергетический баланс.
This article examines geothermal energy as a promising and sustainable source of clean energy, playing a pivotal role in the global energy transition. It analyzes the unique geological conditions of regions conducive to the development of this technology and its potential impact on the energy balance, economy, and environment. Particular attention is given to the current state of geothermal resources in Russia, the main technologies for electricity generation, and key operational challenges such as salt deposition and corrosion. The article highlights the advantages of geothermal energy, including its inexhaustible nature, environmental friendliness, and base-load capacity, as well as its inherent disadvantages, specifically the high development costs and the need for waste disposal. It concludes by emphasizing the critical need for further research, technological innovations, and strategic investments for the effective utilization of geothermal potential and its full contribution to achieving national energy and environmental goals.
Keywords: geothermal energy, renewable energy sources, geothermal resources, geothermal power plants, operational challenges, development prospects, energy balance.
Введение
Современный мир стоит перед лицом беспрецедентных вызовов, связанных с изменением климата, истощением традиционных ископаемых видов топлива и необходимостью обеспечения энергетической безопасности. Ключевой проблемой остается рост выбросов парниковых газов от энергетических установок, особенно в регионах с высокой зависимостью от угля и нефтепродуктов. Несмотря на технологический прогресс, многие энергосистемы демонстрируют увеличение углеродоемкости, усугубляя глобальное потепление и ускоряя деградацию экосистем. Наибольший вклад в загрязнение атмосферы вносят тепловые электростанции, работающие на органическом топливе.
В процессе сжигания угля, газа и мазута образуются оксиды углерода (CO, C
При нынешних темпах использования органических топлив в ближайшие 50 лет прогнозируется повышение среднегодовой температуры на планете в пределах от 1,5°С (близ экватора) до 5°С (в высоких широтах). Эти факторы обуславливают глобальный энергетический переход, направленный на кардинальное изменение структуры энергопотребления в сторону возобновляемых источников. Данный переход является не просто экологической инициативой, но и стратегическим императивом, движимым стремлением к диверсификации энергетических портфелей для достижения геополитической стабильности и долгосрочной экономической устойчивости. Чрезмерная зависимость от ископаемого топлива создает значительные геополитические уязвимости, подвергает экономики колебаниям цен и может препятствовать национальному суверенитету. В этом контексте возобновляемые источники энергии (ВИЭ) приобретают первостепенное значение, предлагая решения для декарбонизации, повышения энергетической независимости и устойчивого развития [1].
Среди многообразия возобновляемых источников энергии геотермальная энергетика занимает уникальное положение благодаря своим отличительным характеристикам. В отличие от солнечной и ветровой энергетики, геотермальные станции обеспечивают базовую нагрузку энергосистемы с минимальными выбросами CO₂, что позволяет значительно сократить углеродный след энергетического сектора, особенно в регионах с высокой геотермальной активностью.
Выработка геотермальной энергии не зависит от погодных условий, климата и времени суток, обеспечивая стабильное базовое энергоснабжение. Эта независимость от внешних факторов делает геотермальную энергию критически важным элементом для обеспечения общей стабильности энергосистемы в условиях будущего энергетического ландшафта, который будет все более зависеть от переменных возобновляемых источников. Такая способность геотермальных станций поддерживать постоянную подачу энергии позволяет им выступать в качестве стабилизирующей силы, способствующей более глубокой интеграции солнечной и ветровой энергии за счет обеспечения надежной базовой нагрузки. Это, в свою очередь, открывает путь к более агрессивной и безопасной декарбонизации энергетического сектора, повышая стратегическую значимость геотермальной энергии далеко за рамки ее индивидуальной генерирующей мощности.
Геотермальная энергия, источником которой является внутреннее тепло Земли, представляет собой колоссальный, но в значительной степени неиспользованный ресурс. Огромные запасы геотермальных источников во много раз превосходят ежегодное мировое потребление энергии, однако лишь малая их доля используется человечеством. Это разительное несоответствие между обширными глобальными запасами и текущим уровнем использования указывает на существование значительных системных барьеров, выходящих за рамки простой технической осуществимости. Эти барьеры, вероятно, включают экономические, регуляторные и информационные проблемы, которые в совокупности препятствуют широкому внедрению геотермальной энергии, несмотря на ее очевидные преимущества.
Таким образом, раскрытие полного потенциала геотермальной энергии требует не только продолжения технологических достижений, но и внедрения комплексных политических инструментов и инновационных финансовых механизмов, призванных снизить риски первоначальных инвестиций и ускорить проникновение на рынок. Геотермальная энергия может использоваться как для производства электроэнергии, так и для прямого теплоснабжения, что подчеркивает ее многогранность и потенциал для широкого спектра применений.
Теоретические основы геотермальной энергетики
Геотермальную энергию принято разделять на два основных вида в зависимости от ее геологического происхождения и методов извлечения. Гидротермальная энергия образуется за счет естественных выходов горячей воды и пара на поверхность (например, теплые источники, гейзеры) или их залегания на доступных для бурения глубинах. Эксплуатация таких систем обычно включает бурение скважин для извлечения уже нагретого флюида. Петротермальная энергия (тепло сухих горячих пород) представляет собой тепловую энергию горных пород, залегающих на глубине, где отсутствует естественный водоносный горизонт. Для ее извлечения необходимо бурение двух скважин: в одну нагнетается вода, которая, нагреваясь от контакта с горячими породами, в виде пара или горячей воды выводится на поверхность через другую скважину.
Фундаментальное различие между гидротермальными и петротермальными системами влечет за собой значительную дивергенцию как в технологических требованиях, так и в экономической целесообразности их эксплуатации. Гидротермальные системы, как правило, проще и менее капиталоемки в освоении, поскольку они используют уже существующие природные резервуары. Петротермальные системы, напротив, требуют создания искусственных путей для флюидов в горячих сухих породах, что сопряжено с более сложным бурением и изощренным проектированием резервуаров. Эта повышенная сложность для петротермальных систем приводит к более высоким затратам на исследования и разработки, большим буровым рискам и необходимости применения передовых методов стимуляции резервуаров.
Однако петротермальные ресурсы гораздо более распространены по всему миру, чем естественные гидротермальные системы, поскольку горячие сухие породы существуют почти повсеместно на достаточных глубинах. Это означает, что, хотя гидротермальные системы в настоящее время доминируют на рынке, петротермальные технологии (часто связанные с усовершенствованными геотермальными системами, или EGS) представляют собой долгосрочное, масштабируемое решение для раскрытия истинного глобального потенциала геотермальной энергии, что требует существенных будущих инвестиций в передовые технологии бурения и создания резервуаров.
Геотермальный градиент — это показатель изменения температуры Земли с глубиной, являющийся ключевым индикатором жизнеспособности геотермальных ресурсов. Геотермальные районы классифицируются по температурному градиенту: геотермальный (более 80°С/км, как правило, вблизи границ континентальных плит), полутермальный (40–80°С/км) и нормальный (менее 40°С/км) [2].
Термальные воды, используемые в качестве источника энергии, также классифицируются по температуре:
– Эпитермальные (низкопотенциальные): температура от 40–50°С до 90–100°С.
– Мезотермальные (среднепотенциальные): температура от 100–120°С до 180–200°С.
– Гипотермальные (высокопотенциальные): температура более 200°С.
Температурная классификация термальных вод выявляет присущий компромисс: более высокие температуры обеспечивают большую эффективность для производства электроэнергии (гипотермальные), но более низкие температуры (эпитермальные/мезотермальные) более распространены и универсальны для прямого использования тепла. Это подразумевает стратегическую необходимость диверсифицированных стратегий развития, которые оптимизируют использование ресурсов на основе конкретных температурных профилей, а не единственного фокуса на высокотемпературной генерации электроэнергии. Практические последствия этих температурных различий заключаются в том, что высокотемпературные ресурсы идеально подходят для традиционных технологий производства электроэнергии, таких как сухой пар или флэш-пар.
В то же время низкотемпературные ресурсы, хотя и не всегда экономически выгодны для выработки электроэнергии, прекрасно подходят для прямого использования, включая отопление помещений, горячее водоснабжение, обогрев теплиц в сельском хозяйстве и бальнеологию. Это означает, что потенциал региона не должен определяться исключительно его способностью генерировать электроэнергию. Даже районы с «нормальными» температурными градиентами или «эпитермальными» водами могут обладать значительной экономической и социальной ценностью за счет прямого использования тепла. Таким образом, комплексная национальная геотермальная стратегия должна применять многогранный подход, оптимизируя использование ресурсов на основе конкретных температурных профилей доступных ресурсов, тем самым значительно расширяя географический охват жизнеспособных геотермальных проектов за пределы традиционных зон с высокой энтальпией [3].
Передовые технологии производства геотермальной электроэнергии
В настоящее время существует три основные схемы производства электроэнергии с использованием гидротермальных источников:
- Прямая схема (сухой пар): используется на месторождениях, где из скважин поступает сухой или перегретый пар. Этот пар напрямую направляется на лопатки турбины, вращающей электрогенератор. Данная схема является наиболее простой и эффективной, но требует наличия высокотемпературных паровых ресурсов.
- Непрямая схема (водяной пар / парогидротермы): наиболее распространенный тип ГеоТЭС. Используют горячие подземные воды (обычно температурой до 180–200°С), которые закачиваются при высоком давлении в сепараторы на поверхности. При снижении давления часть воды мгновенно испаряется, образуя пар. Полученный пар приводит в действие турбину. Если в оставшейся жидкости достаточно тепла, ее можно направить в следующий испаритель для дополнительного получения пара при более низком давлении.
- Бинарный цикл: Эта схема применяется для использования геотермальных вод с умеренной температурой (от 80–100°С до 150–180°С) или в случаях, когда геотермальная вода имеет высокую минерализацию, вызывающую коррозию и отложения. Геотермальная вода пропускается через теплообменник, где нагревает вторичный рабочий агент (жидкость с низкой температурой кипения, например, фреон или изобутан). Пары вторичного агента вращают турбину. Процесс происходит в замкнутой системе, что минимизирует выбросы в атмосферу и проблемы с отложениями в турбинном контуре. Эта технология считается наиболее экологичной и перспективной для широкого круга геотермальных ресурсов. На данный момент наиболее универсальным и широко применимым является бинарный цикл.
Утверждение о том, что «бинарный цикл является наиболее универсальным и широко применимым» и «наиболее экологичным и перспективным», указывает на то, что его технологическая зрелость и благоприятный экологический профиль имеют решающее значение для освоения обширных низкотемпературных геотермальных ресурсов по всему миру. Это фактически расширяет доступный рынок для геотермальной энергетики за пределы исторически высокоэнтальпийных регионов. Традиционные технологии прямого и непрямого циклов высокоэффективны, но требуют высокотемпературных геотермальных ресурсов, которые географически сконцентрированы в определенных зонах, таких как активные вулканические регионы. Способность бинарного цикла эффективно использовать умеренные температуры (от 80 до 180°C) означает, что значительно большая часть земного геотермального тепла становится экономически выгодной для производства электроэнергии. Это технологическое достижение напрямую смягчает проблему «локальности ресурсов», выявленную далее в тексте [4].
Делая низкотемпературные ресурсы пригодными для эксплуатации, бинарный цикл демократизирует производство геотермальной энергии, позволяя большему числу регионов развивать свои собственные энергетические ресурсы. Это расширяет глобальный рынок геотермальных технологий и значительно увеличивает общий потенциал геотермальной энергии для внесения существенного вклада в мировой энергетический баланс, превращая ее из нишевого решения в более распространенный вариант возобновляемой энергии. Потенциально, тепло магмы может обеспечить неиссякаемой энергией, однако разработка технологий для его эффективного и безопасного использования является задачей будущего.
Геотермальные ресурсы: мировой и российский контекст
Мировой геотермальный ландшафт характеризуется огромным неиспользованным потенциалом. Огромные запасы геотермальных источников во много раз превосходят ежегодное мировое потребление энергии, однако лишь малая их доля используется человечеством. Активно ведутся исследования потенциальных месторождений и разработка более эффективных методов извлечения энергии. Ежегодно производственная мощность ГеоТЭС в мире растет. По экономическим показателям данная отрасль сопоставима с угольными ТЭС в ряде регионов.
Успешные примеры Исландии и Японии демонстрируют, что значительное проникновение геотермальной энергии вполне достижимо. Исландия практически полностью покрывает свои коммунально-бытовые нужды за счет геотермальных источников. Япония, расположенная в зоне высокой сейсмической и вулканической активности, имеет около 20 объектов по получению геотермальной энергии с общей производительностью около 550 МВт. Эти достижения неразрывно связаны со специфическими, крайне благоприятными геологическими условиями, характеризующимися высокой сейсмической и вулканической активностью [5]. Это указывает на то, что, хотя глобальный геотермальный потенциал огромен, его экономически целесообразная эксплуатация часто локализована, что требует индивидуальных региональных стратегий развития, а не универсального подхода. Таким образом, глобальная тенденция увеличения геотермальных мощностей отражает двойной путь развития: максимизация эксплуатации высокоэнтальпийных ресурсов там, где они доступны естественным образом, и постепенное освоение низкоэнтальпийных ресурсов за счет непрерывных технологических инноваций и исследований. Потенциально, около 40 стран мира могут обеспечить значительную долю своих потребностей в электроэнергии за счет геотермальных ресурсов.
Россия обладает огромными запасами геотермальной энергии, сосредоточенными в Предкавказье, Западной и Восточной Сибири, на Камчатке, Курильских островах, Сахалине и Дальнем Востоке, с расчетным суммарным дебитом термальных вод около 218 м³/с. Исторические данные, полученные в результате обширных исследований, начатых в 1954 году, позволили составить геотермальные карты СССР и России. Результаты опробования пробуренных нефтяных, газовых и специализированных геотермальных скважин позволяют с достаточной степенью достоверности прогнозировать геотермальные ресурсы регионов [6].
Обширные исторические данные, накопленные в период СССР, и оценка общего дебита термальных вод примерно в 218 м³/с убедительно свидетельствуют о наличии в России хорошо документированной и существенной геотермальной ресурсной базы. Однако текущий уровень эксплуатации, при котором общий дебит эксплуатируемых скважин превышает лишь 50 тыс. м³/сут, что эквивалентно примерно 0,57 м³/с, выявляет значительный разрыв между доказанным потенциалом и фактическим использованием. Это несоответствие указывает на наличие глубинных экономических, инфраструктурных или политических барьеров, а не на недостаток геологического понимания или идентификации ресурсов. Если ресурсы действительно огромны и тщательно исследованы, то причина их ограниченной эксплуатации кроется не в отсутствии знаний, а в неспособности эффективно трансформировать выявленный потенциал в развернутые мощности. Это может быть связано с высокой стоимостью разработки и строительства геотермальных проектов, отсутствием конкурентных тарифов на геотермальную энергию, недостаточными инвестиционными стимулами или логистическими сложностями освоения удаленных, богатых ресурсами районов. Исторические инвестиции в размере более 4 миллиардов долларов (в ценах того времени) в период СССР дополнительно подчеркивают, что значительная часть фундаментальных работ уже была выполнена, что означает, что текущее недоиспользование является преимущественно вопросом стратегической политики и экономического приоритета, а не дефицита знаний о ресурсах [6].
На данный момент в России разведано около 70 месторождений геотермальной энергии (некоторые источники указывают 66), на 20 из которых ведется эксплуатация термальных вод в промышленных целях. В 11 регионах России, включая Дагестан, Чечню, Краснодарский и Ставропольский края, Адыгею, Карачаево-Черкесию, Кабардино-Балкарию, Камчатку, Сахалин, Чукотку и Магаданскую область, разведано 66 геотермальных месторождений с температурами на устье скважин от 40 до 300°С и эксплуатационными запасами более 300 тыс. м³/сут. Суммарный дебит эксплуатируемых скважин превышает 50 тыс. м³/сут. В настоящее время установленная мощность российских систем геотермального теплоснабжения составляет около 310 МВт (тепловых), с годовым отпуском тепловой энергии порядка 170 ГВт·ч/год. Только на Камчатке пробурено около 365 скважин глубиной от 225 до 2266 м [7].
Тот факт, что только 20 из 66–70 разведанных геотермальных месторождений в России в настоящее время эксплуатируются, и что большая часть использования геотермальной энергии в России приходится на тепловую энергию (310 МВт тепловых, 170 ГВт·ч/год тепла), несмотря на наличие высокотемпературных ресурсов, таких как на Камчатке (70–300°C), указывает на преобладающий фокус на прямом использовании тепла, а не на производстве электроэнергии. Это может свидетельствовать либо о задержке в преобразовании высокотемпературного потенциала в электростанции, либо о приоритете более простых и немедленно жизнеспособных проектов прямого теплоснабжения.
Такое положение дел предполагает, что текущая геотермальная стратегия России, хотя и признает наличие ресурса, возможно, отдает приоритет менее капиталоемким и менее рискованным проектам прямого использования тепла по сравнению с более капиталоемкими проектами по производству электроэнергии. Существующая мощность в 310 МВт (тепловых) значительна для местных нужд отопления, но не в полной мере использует высокоэнтальпийные ресурсы для генерации электроэнергии в масштабах энергосистемы. Это указывает на острую необходимость в целенаправленных политических стимулах, специально направленных на содействие производству электроэнергии из высокотемпературных месторождений, или на дальнейшее ускоренное развитие и внедрение технологии бинарного цикла для обеспечения более широкого производства электроэнергии из низкотемпературных ресурсов.
Таблица 1
Разведанные геотемальные месторождения в Российской Федерации
Субъект РФ |
Кол-во Месторождений |
Температура, °С |
Эксплуатационные запасы, тыс.
|
Добыча,
Тыс.
|
Объем замещаемого топлива, т у.т/год |
Республика Дагестан |
17 |
40–104 |
86,2 |
10,4 |
71400 |
Чеченская Республика |
14 |
60–108 |
64,68 |
н/д |
н/д |
Краснодарский край |
13 |
72–117 |
35,574 |
4,39 |
49400 |
Ставропольский край |
4 |
55–119 |
12,2 |
1,0 |
2800 |
Республика Адыгея |
3 |
70–91 |
8,98 |
2,1 |
13300 |
Карачаево-Черкесская республика |
1 |
50–75 |
6,8 |
0,4 |
2900 |
Кабардино-Балькарская республика |
2 |
56–67 |
5,3 |
0,05 |
н/д |
Камчатская область |
12 |
70–300 |
83,8(32,5*) |
34,3 |
151900 |
Сахалинская область |
2 |
85–320 |
8,2* |
н/д |
н/д |
Чукотский авт. окр. и магад об |
3 |
60–87 |
3,5 |
н/д |
н/д |
Таблица 1 количественно определяет расхождение между «Эксплуатационными запасами» и «Добычей» для многих регионов, эмпирически подтверждая ранее сделанный вывод о недоиспользовании [8]. Например, Краснодарский край демонстрирует 35,574 тыс. м³/сут запасов, но лишь 4,39 тыс. м³/сут. текущей добычи, что указывает на значительный неиспользованный потенциал. Колонка «Объем замещаемого топлива» напрямую переводит использование геотермальной энергии в ощутимые экономические и экологические выгоды, количественно определяя сокращение потребления ископаемого топлива. Это предоставляет четкий, измеримый показатель для политиков и потенциальных инвесторов относительно реального воздействия и ценностного предложения геотермального развития. В конечном итоге, эта таблица служит жизненно важной основой для планирования будущего развития и определения целевых показателей политики, позволяя систематически отслеживать прогресс в отношении выявленных ресурсных потенциалов. Без таких детализированных, эмпирических данных обсуждения геотермального потенциала России оставались бы в значительной степени теоретическими и лишенными прочной доказательной базы.
Основные проблемы использования геотермального тепла и эксплуатации ГеоТЭС
Геохимические проблемы .
Основные проблемы использования геотермального тепла и эксплуатации ГеоТЭС тесно связаны с агрессивным химическим составом геотермальных флюидов. Солеотложение: Геотермальные воды часто содержат большое количество растворенных минеральных солей, которые при изменении температуры и давления выпадают в осадок на стенках труб, теплообменников и другого оборудования. Это приводит к снижению их эффективности и необходимости частых очисток или замен. Коррозия материалов: Агрессивный химический состав термальных вод, включающий высокую минерализацию, наличие сероводорода, углекислоты и других химически активных компонентов, вызывает интенсивную коррозию металлических частей оборудования [9].
Широкое распространение и значительное влияние солеотложения и коррозии указывают на то, что предполагаемая «относительно низкая себестоимость энергии (после амортизации капитальных затрат)" для геотермальных проектов существенно нивелируется повышенными эксплуатационными расходами и затратами на техническое обслуживание. Это напрямую влияет на долгосрочную экономическую жизнеспособность и общую конкурентоспособность геотермальной энергетики. Если эксплуатационные расходы постоянно высоки из-за этих геохимических проблем, это подрывает преимущество «низких эксплуатационных затрат», которым геотермальная энергия теоретически обладает после амортизации первоначальных капитальных вложений.
Это означает, что, хотя «топливо» (тепло Земли) бесплатно, стоимость поддержания целостности и эффективности системы, необходимой для доступа и преобразования этого топлива, может быть значительной. Таким образом, разработка эффективных решений этих геохимических проблем — посредством достижений в материаловедении, сложных методов химического ингибирования или внедрения замкнутых систем, таких как бинарные циклы, которые минимизируют контакт с коррозионными флюидами — является не просто техническим улучшением, но критически важным экономическим фактором для более широкого внедрения геотермальной энергии, напрямую влияющим на приведенную стоимость энергии (LCOE) геотермальной электроэнергии.
Управление флюидами: стратегии утилизации и обратной закачки отработанной воды.
Управление отработанными геотермальными флюидами является критически важным аспектом эксплуатации. Отработанная термальная вода, изменившая свой химический состав и температуру, должна быть утилизирована. Наиболее экологически приемлемым и технологически правильным методом является ее обратная закачка в водоносный горизонт для поддержания пластового давления и восполнения запасов. Однако это требует дополнительных затрат и технологических решений [10].
Обязательное требование обратной закачки отработанных геотермальных флюидов подчеркивает, что геотермальная энергия, несмотря на свою «экологическую безопасность», не полностью лишена потребностей в управлении окружающей средой. Этот процесс добавляет значительный уровень инженерной сложности и стоимости к проектам, что может стать заметным барьером для новых разработок. Текст явно указывает, что это «требует дополнительных затрат и технологических решений». Это означает, что обратная закачка не является тривиальной задачей; она включает сложные соображения, выходящие за рамки простого бурения скважины. К ним относятся обеспечение долгосрочной приемистости, предотвращение нежелательной миграции флюидов или короткого замыкания, а также тщательное управление потенциальной наведенной сейсмичностью.
Это означает, что «экологическая безопасность» геотермальной энергии зависит от успешного и ответственного внедрения стратегий управления флюидами. Если обратная закачка выполняется неправильно или считается слишком дорогой, это может привести к неблагоприятным экологическим последствиям (например, сбросу на поверхность, загрязнению грунтовых вод) или истощению ресурсов (например, падению пластового давления), тем самым подрывая экологические преимущества геотермальной энергии. Таким образом, разработка эффективных и экономически выгодных технологий и стратегий обратной закачки имеет первостепенное значение для обеспечения долгосрочной экологической целостности и экономической жизнеспособности геотермальной энергетики, превращая потенциальную эксплуатационную проблему в хорошо управляемый аспект развития проекта [11].
Экологические и эксплуатационные риски: выбросы неконденсирующихся газов и наведенная сейсмичность.
Хотя геотермальная энергия широко признана за свою «экологическую безопасность», существуют определенные экологические и эксплуатационные риски. Один из них — это риск выбросов вредных газов, например, сероводорода. Хотя современные технологии позволяют минимизировать эти выбросы, такой риск существует, особенно на старых или менее технологичных станциях. Вопрос сжигания попутного газа на факелах в большей степени характерен для нефтегазовых месторождений, где попутно извлекаются термальные воды. Применительно к чисто геотермальным проектам, вопрос скорее в утилизации неконденсирующихся газов (включая сероводород), выделяющихся из геотермального флюида [11].
Другой, хотя и редкий, риск связан с провоцированием микросейсмической активности. При реинжекции больших объемов воды в некоторых геологических условиях теоретически возможно изменение напряженного состояния пород, что может привести к микроземлетрясениям. Несмотря на то, что геотермальная энергия считается экологически чистой, явное признание «риска выбросов вредных газов» и «риска провоцирования микросейсмической активности» указывает на то, что ее экологический профиль не является абсолютно безупречным. Это требует тщательного мониторинга, передовых технологий смягчения воздействия и прозрачной общественной коммуникации для поддержания ее «зеленых» преимуществ и обеспечения социальной лицензии на деятельность. Хотя риски присутствуют, современные технологии позволяют их минимизировать.
Наведенная сейсмичность, хотя и редко, остается серьезной проблемой для общественности. Эти потенциальные риски, даже если они редки или технологически управляемы, могут глубоко повлиять на общественное восприятие, процессы получения разрешений на проекты и общую социальную приемлемость. «Экологическая безопасность» геотермальных проектов, таким образом, зависит от эффективного внедрения надежных технологий смягчения воздействия (например, систем улавливания газов, сложного управления давлением закачки) и проактивной, прозрачной коммуникации с местными сообществами. Без таких комплексных мер эти потенциальные недостатки могут подорвать «зеленый» имидж геотермальной энергии и препятствовать ее социальной лицензии на деятельность, особенно в густонаселенных или сейсмически активных районах. Это подчеркивает критическую важность строгих оценок воздействия на окружающую среду и непрерывного операционного мониторинга [12].
Преимущества и недостатки геотермальной энергетики
Геотермальная энергия обладает широким спектром экологически и экономически привлекательных качеств.
– Практическая неисчерпаемость ресурсов: Запасы геотермального тепла Земли огромны и во много раз превышают запасы всех видов ископаемого топлива.
– Широкое распространение: Концентрация геотермальной энергии, пригодной для использования, связана не только с зонами активной сейсмической деятельности (например, Калифорния, Новая Зеландия, Исландия, Япония, Камчатка, Северный Кавказ), но и с наличием термальных вод на умеренных глубинах во многих других регионах.
– Независимость от внешних условий: В отличие от солнечной и ветровой энергетики, выработка геотермальной энергии не зависит от погоды, климата и времени суток, обеспечивая стабильное базовое энергоснабжение.
– Многогранность применения: Геотермальная энергия может использоваться для производства электроэнергии, прямого теплоснабжения (отопление, горячее водоснабжение), в сельском хозяйстве (обогрев теплиц, рыбоводство), в промышленных процессах и бальнеологии. [13]
– Экологическая безопасность (при соблюдении технологий): Современные ГеоТЭС, особенно с бинарным циклом, имеют минимальные выбросы вредных веществ в атмосферу. Правильная утилизация отработанных вод также снижает экологические риски.
– Относительно низкая себестоимость энергии (после амортизации капитальных затрат): хотя первоначальные инвестиции высоки, эксплуатационные расходы могут быть ниже по сравнению с традиционными источниками энергии, так как «топливо» (земное тепло) бесплатно.
– Обеспечение энергонезависимости: Использование местных геотермальных ресурсов снижает зависимость регионов и стран от импорта энергоносителей.
– Компактность станций: ГеоТЭС занимают значительно меньшую площадь по сравнению, например, с угольными ТЭС (с учетом угледобычи и хранения отходов) или крупными ГЭС.
Несмотря на многочисленные преимущества, использование геотермальной энергии сопряжено с рядом проблем [14]:
– Высокая стоимость разработки и строительства станций: это основной сдерживающий фактор, особенно на начальных этапах освоения.
– Необходимость утилизации химически активных вод: требуется либо их обратная закачка в недра, либо специальная очистка перед сбросом, что удорожает проект.
– Риск выбросов вредных газов (например, сероводорода): хотя современные технологии позволяют минимизировать эти выбросы, такой риск существует, особенно на старых или менее технологичных станциях.
– Локальность ресурсов: экономически целесообразно использовать геотермальную энергию в непосредственной близости от месторождений, так как транспортировка тепла на большие расстояния связана со значительными потерями.
– Риск провоцирования микросейсмической активности (редко): при реинжекции больших объемов воды в некоторых геологических условиях теоретически возможно изменение напряженного состояния пород [15].
Перспективы развития геотермальной энергетики
Будущее геотермальной энергетики неразрывно связано с технологическими инновациями, направленными на преодоление текущих ограничений. Особое значение приобретают усовершенствованные геотермальные системы (EGS), которые стремятся создавать или улучшать искусственные резервуары в горячих сухих породах, тем самым расширяя географический охват геотермальных ресурсов. Эти системы позволяют осваивать ресурсы, недоступные для традиционных гидротермальных методов.
Дополнительно, развитие замкнутых систем, таких как бинарный цикл, минимизирует прямой контакт флюида с породой, что эффективно смягчает геохимические проблемы, такие как солеотложение и коррозия. Эти инновации являются ключевыми для расширения глобального рынка и повышения экономической жизнеспособности геотермальной энергии. Упоминание тепла магмы как «задачи будущего» подразумевает, что текущие технологические достижения, особенно в таких областях, как EGS, представляют собой важные промежуточные шаги к раскрытию истинной «практической неисчерпаемости» геотермальной энергии. Эти инновации выводят отрасль за рамки исторической зависимости от естественных гидротермальных систем к более инженерному подходу.
Развитие и широкое внедрение EGS и других передовых замкнутых систем напрямую решают проблемы «локальности ресурсов» и «высокой стоимости разработки», делая геотермальную энергию доступной в значительно более широком диапазоне геологических условий по всему миру [16]. Более того, замкнутые системы потенциально могут снизить эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание, связанные с химией флюидов. Этот фундаментальный сдвиг от пассивной эксплуатации природных гидротермальных систем к активному проектированию геотермальных резервуаров представляет собой изменение парадигмы, потенциально превращая геотермальную энергию из регионально значимого ресурса в глобально повсеместный источник базовой нагрузки, тем самым фундаментально изменяя ее долгосрочное стратегическое значение в мировом энергетическом балансе.
Существенный разрыв между выявленным геотермальным потенциалом России (например, общий дебит 218 м³/с) и ее текущей эксплуатируемой мощностью (например, 50 тыс. м³/сут и 310 МВт тепловых) убедительно указывает на то, что основные барьеры на пути развития заключаются не в геологических открытиях или технической осуществимости (учитывая обширные исследования времен СССР). Вместо этого, они кроются в отсутствии надежной политической поддержки, эффективных финансовых стимулов и упорядоченных регуляторных рамок, которые могли бы снизить риски проектов и привлечь достаточные инвестиции. Если ресурс известен, и технология (например, бинарный цикл) существует, то экономический барьер должен быть достаточно значительным, чтобы препятствовать широкому инвестированию.
Это означает, что существующие рыночные механизмы в настоящее время недостаточны для преодоления высоких первоначальных капитальных затрат и длительных сроков окупаемости, характерных для геотермальных проектов. Таким образом, проактивное государственное вмешательство посредством поддерживающей политики, такой как благоприятные тарифы (например, «зеленые» тарифы), гарантированные соглашения о покупке электроэнергии, целевые налоговые льготы или специальные государственные программы финансирования, является не просто желательным, но и крайне важным. Без таких комплексных политических рамок обширный геотермальный потенциал России, вероятно, останется в значительной степени неиспользованным, что помешает этому чистому источнику энергии сыграть свою полноценную роль в национальном энергетическом переходе и достижении более широких климатических целей. Это переносит акцент с чисто геологической разведки на критическую потребность в экономических и политических инновациях [17].
Расширенное использование геотермальной энергии может внести значительный вклад в достижение национальной энергетической независимости, сокращение выбросов парниковых газов и поддержку более широких климатических целей. Присущая геотермальной энергии «независимость от внешних условий» и «компактность станций» делают ее исключительно подходящим кандидатом для децентрализованных энергетических решений. Это особенно ценно для удаленных или изолированных сообществ, тем самым значительно способствуя региональной энергетической безопасности и устойчивости, помимо простого повышения стабильности национальной энергосистемы. Компактность означает, что она требует минимальной площади земли, а независимость от внешних условий означает, что она не зависит от местных погодных условий. Эти характеристики делают ее очень подходящей для локализованных, автономных или микросетевых энергетических систем [18].
Многие удаленные регионы, особенно в России (например, Камчатка, Курильские острова, Чукотка, Магаданская область, как подробно описано в Таблице 1), часто сильно зависят от дорогостоящего и загрязняющего импортного дизельного топлива для производства электроэнергии. Геотермальная энергия, будучи местным, стабильным и компактным источником энергии, может обеспечить значительную энергетическую независимость и резко сократить логистические затраты для таких сообществ. Это способствует не только более широкой национальной энергетической безопасности, но и стимулирует региональное экономическое развитие и экологическую устойчивость за счет вытеснения высокоуглеродной, дорогостоящей местной генерации, демонстрируя глубокий и локализованный мультипликативный эффект от стратегического развертывания геотермальной энергии [19].
Выводы
Геотермальная энергетика представляет собой колоссальный, но в значительной степени неиспользованный потенциал, особенно в контексте Российской Федерации. Обширные запасы, подтвержденные десятилетиями исследований и разведанными месторождениями, указывают на значительные возможности для ее развития. Несмотря на очевидные преимущества, такие как практическая неисчерпаемость ресурсов, независимость от внешних условий, экологическая безопасность и потенциально низкая себестоимость энергии после амортизации капитальных затрат, отрасль сталкивается с рядом существенных вызовов. К ним относятся высокая стоимость разработки и строительства станций, необходимость утилизации химически активных вод, риск выбросов вредных газов и локальность ресурсов [20].
Однако эти проблемы, хотя и значительны, в значительной степени преодолимы. Развитие технологических инноваций, таких как усовершенствованные геотермальные системы (EGS) и замкнутые бинарные циклы, существенно расширяет географические границы применимости геотермальной энергии и снижает эксплуатационные риски. Эти технологии, делающие возможной эксплуатацию низкотемпературных и петротермальных ресурсов, являются ключевыми для перехода геотермальной энергии от нишевого к более универсальному источнику.
Основная проблема, препятствующая полномасштабному освоению геотермального потенциала, особенно в России, заключается не столько в отсутствии ресурсов или технологических решений, сколько в необходимости формирования благоприятной политической и инвестиционной среды [21]. Существующий разрыв между огромными разведанными запасами и текущим уровнем эксплуатации указывает на то, что рыночные механизмы сами по себе недостаточны для преодоления высоких первоначальных капитальных затрат и длительных сроков окупаемости геотермальных проектов.
В конечном итоге, геотермальная энергия, несмотря на свою капиталоемкость, предлагает относительно низкую себестоимость энергии после амортизации и практически неисчерпаемый ресурс. Это означает, что долгосрочные стратегические выгоды — включая повышение энергетической безопасности, значительное смягчение последствий изменения климата и обеспечение стабильной базовой нагрузки — существенно перевешивают первоначальные инвестиционные барьеры.
Таким образом, геотермальная энергия позиционируется как критически важный, хотя и капиталоемкий, компонент для достижения устойчивого энергетического будущего [22]. Для реализации этого потенциала необходима проактивная государственная поддержка в виде целевых политических мер, таких как благоприятные тарифы, гарантированные соглашения о покупке электроэнергии, налоговые льготы и государственные программы финансирования. Только комплексный подход, сочетающий технологические инновации с сильной политической волей и стратегическими инвестициями, позволит геотермальной энергетике занять достойное место в глобальном и национальном энергетическом балансе, способствуя устойчивому развитию и энергетической независимости.
Литература:
- Альтернативная энергетика Отопление Геотермальная энергетика Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) Системы накопления энергии (СНЭ) // Энергетика. 2025. № 01–02 (501–502).
- Геотермальная энергетика ГеоЭС: Энергия тепла Земли: нужны технологии и кадры // Энергетика. 2025. № 08 (508).
- Kalair, A. [et al.]. Geothermal energy stands as a vital pillar in the global energy transition, offering a reliable and sustainable alternative to traditional fossil fuels. 2021.
- Геотермальная энергетика Природный газ: Энергия от частника // Энергетика. 2025. № 03–04 (503–504).
- REN21. Geothermal Power and Heat. 2023.
- Бутузов, В. А. Геотермальное теплоснабжение: российские научные и инженерные школы // СОК. 2018. № 11. С. 52–61.
- Teodoriu, C., Bello, O. Innovations in drilling technologies have played a pivotal role in enhancing the efficiency and economic viability of geothermal projects. 2021.
- U. S. Department of Energy. Enhanced Geothermal Systems: A Promising Source of Round-the-Clock Energy. 2025.
- Geothermal power in Russia // Wikipedia. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Geothermal_power_in_Russia (accessed: 01.06.2025).
- Zhu, J. The recently constructed geothermal power plant (16 MW) at Yangyi in Tibet adopted binary cycle technology (using isopentane as the working fluid), making it the first geothermal power plant in China that operates in closed-loop. 2018.
- Алхасов, А. Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. Москва: Физматлит, 2008. 376 с.
- Бутузов, В. А. История и проблемы развития геотермальной энергетики в России // Окружающая среда и энерговедение. 2019.
- Svalova, V. B. Development of Geothermal Energy in Russia. Moscow, Russia: Institute of Environmental Geoscience RAS, 2002.
- Гарипов, М. Г. Ветроэнергетика // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16, № 2. С. 64–65.
- IRENA. Global Geothermal Market and Technology Assessment. 2023.
- Геотермальная энергетика Новые технологии: Горячая надежда немцев // Энергетика. 2025. № 08 (508).
- Kumar, A. [et al.]. Geothermal energy holds immense promise as a sustainable and renewable resource, providing a reliable and continuous power source while emitting minimal greenhouse gases. 2022.
- Дворов, И. М. Геотермальная энергетика. Москва: Наука, 1976. 192 с.
- Мартынова, Т. И., Хамзина, З. А. Геотермальный потенциал ведущих стран мира в этой отрасли энергетики. Также рассмотрены перспективы развития России в данном направлении. Нижний Новгород: Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет, 2016.
- Саликеева, С. Н., Галеева, Ф. Т. Обзор методов получения альтернативной энергии // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т. 15, № 8. С. 57–59.
- Ученые из Томского политеха создали геотермальную установку для энергоснабжения потребителей // Производства.рф. URL: https://sdelanounas.ru/blogs/164760/ (дата обращения: 01.06.2025).
- Череменский, Г. А. Прикладная геотермия. Ленинград: Недра, 1977. 244 с.