Анализ воздействия геотермальных электростанций на окружающую среду в течение жизненного цикла

Введение: почему жизненный цикл имеет значение для геотермальной энергии

Геотермальные электростанции преобразуют тепло из недр Земли в электричество, предлагая возобновляемый источник энергии с небольшим физическим воздействием на мегаватт по сравнению с солнечной или ветровой. Однако «возобновляемая» не означает автоматически нулевое бремя окружающей среды. Каждая энергетическая технология - от добычи сырья до вывода из эксплуатации - несет некоторую степень воздействия. Для геотермальных, эти воздействия охватывают возмущение земли, использование воды, выбросы воздуха и даже вызванную сейсмичность. Анализ полного жизненного цикла от колыбели до могилы (или колыбели до колыбели с восстановлением участка) обеспечивает реалистичную оценку устойчивости.

Исследования по оценке жизненного цикла (LCA) последовательно показывают, что геотермальная энергия выделяет гораздо меньше парниковых газов, чем уголь или природный газ в течение срока службы. Тем не менее, первоначальные экологические затраты на бурение и строительство, а также потенциал для локального водного и экосистемного стресса требуют тщательного управления. Понимание того, где происходят самые большие компромиссы, помогает разработчикам, регулирующим органам и сообществам принимать обоснованные решения о размещении установок, выборе технологий и операционной практике. В этой статье рассматриваются каждый этап существования геотермальной установки, подробно рассматриваются основные категории воздействия, рассматриваются последние результаты LCA и излагаются практические стратегии для снижения общего воздействия на окружающую среду.

Этапы жизненного цикла геотермальной электростанции

Типичная геотермальная установка проходит через пять различных фаз. Каждая фаза имеет разные требования к материалу и энергии, и каждая генерирует уникальный набор экологических давлений.

Разведка и оценка ресурсов

Перед бурением любой скважины геологи, геофизики и геохимики исследуют недра. Методы включают магнитные и гравитационные исследования, сейсмическое отражение, геохимический отбор проб горячих источников и неглубокие температурные градиентные отверстия. Эти действия нарушают поверхность земли только в конкретных точках съемки, но кумулятивное воздействие может фрагментировать места обитания, если большие площади пересекаются транспортными средствами и оборудованием. В чувствительных экосистемах, таких как флора, окружающая некоторые вулканические геотермальные поля, даже низкоинтенсивные исследования могут нарушить модели размножения или кормления. С положительной стороны, современное дистанционное зондирование и 3D-моделирование уменьшают необходимость обширных наземных возмущений.

Экологический риск при разведке, как правило, низок, но одной из заметных проблем является случайный выброс сероводорода (H_]2S) или углекислого газа из неглубоких водоносных горизонтов, если пробные отверстия проникают в зону под давлением. Правильные протоколы предотвращения обсадки и выдувания являются стандартными, но инциденты произошли. Этап разведки также закладывает основу для последующих воздействий: плохо расположенная скважина может производить недостаточно жидкости или вызывать нежелательные взаимодействия с соседними системами грунтовых вод.

Бурение и строительство скважин

Бурение геотермальной скважины является энерго- и материалоемким процессом. Уэллс может иметь глубину от 1500 м до более 3000 м, требуя стального корпуса большого диаметра, цемента, буровых грязей и дизельных установок. Прямой экологический след включает в себя:

• Земля возмущения — колодцы 0,5—2 га, подъездные пути, ямы для рубок и грязи.
• Шум и вибрация — буровые установки генерируют уровень шума до 120 дБ, влияя на близлежащие дикие животные и сообщества.
• Потребление воды (FLT:0) - буровые жидкости и цементные шламы требуют миллионов литров пресной воды на скважину.
• Генерация отходов — вырубки пород, использованные буровые грязи и отработанный цемент должны управляться для предотвращения загрязнения почвы и грунтовых вод.
• Риск выдува — геотермальные резервуары высокого давления могут вызывать неконтролируемые выбросы пара, рассола и газов, если контроль скважины потерян.

Термические и химические характеристики резервуара также влияют на тяжесть этих воздействий. Например, высокотемпературные резервуары (> 250 ° C) часто содержат коррозионные жидкости, богатые кремнеземом, хлоридом и тяжелыми металлами, что делает правильный дизайн скважины и выбор материала критическими. В среднем бурение составляет значительную долю общего углеродного следа жизненного цикла геотермальной установки, в первую очередь из-за сжигания дизельного топлива и производства цемента (который сам по себе является углеродоемким). Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) [[FLT: 1]] опубликовала подробные оценки, показывающие, что бурение может способствовать 15-30% от общего потенциала глобального потепления жизненного цикла установки.

Строительство электростанции

После бурения и испытания скважин начинается строительство поверхностных сооружений. Это включает в себя производство и транспортировку турбин, теплообменников, градирней, трубопроводов, трансформаторов и систем управления. Основными материалами являются сталь, бетон, медь и алюминий. Бетонные заводы потребляют большое количество воды и агрегата, и только производство цемента составляет примерно 8 процентов глобальных выбросов CO₂. Для типичной геотермальной установки мощностью 50 МВт воплощенный углерод в бетоне и стали может составлять несколько тысяч тонн CO₂-эквивалент.

Строительство также изменяет ландшафт: дороги, трубопроводы и строительные следы заменяют естественную растительность. Эрозия почвы и осадка могут ухудшить близлежащие потоки, если не управлять должным образом. Временные рабочие лагеря и движение транспортных средств генерируют дополнительный шум, пыль и сточные воды. Однако площадь, постоянно занятая геотермальной установкой, относительно невелика (0,5-1 га на МВт), и многие заводы в Исландии, Филиппинах и Соединенных Штатах разделяют инфраструктуру, чтобы уменьшить землепользование.

Эксплуатация и техническое обслуживание

В течение 20-30 лет эксплуатации завод извлекает геотермальную жидкость, преобразует свою тепловую энергию в электричество и повторно впрыскивает охлажденный рассол обратно в резервуар. Эта фаза производит больше всего электроэнергии, но также и самое постоянное взаимодействие с окружающей средой:

• Использование воды — стандартные флеш-растения обычно потребляют 20–60 л охлаждающей воды на кВтч, хотя многие системы используют конденсаторы с замкнутым контуром или конденсаторы с воздушным охлаждением для уменьшения отвода воды.
• Выбросы воздуха — неконденсируемые газы (NCG), такие как CO₂, H₂S, метан и аммиак выделяются даже в современных скрубберах. Бинарные растения, использующие вторичную рабочую жидкость, выделяют незначительные количества, поскольку геотермальная жидкость остается в замкнутом цикле.
• Тепловое загрязнение — сброс теплой воды в поверхностные тела может повысить местные температуры, затрагивая водные экосистемы.Вторжение охлажденного рассола смягчает это, но требует тщательного размещения скважины.
• Индуцированная сейсмичность — впрыск жидкости и извлечение изменяют давление пор и напряжение в недрах, потенциально вызывая небольшие землетрясения.Большинство событий ниже человеческого восприятия, но некоторые проекты, такие как проекты в Базеле, Швейцария, и Поханге, Южная Корея, испытали на себе события, которые остановили операции.
• Химическое управление — в рассол могут добавляться ингибиторы шкалы, ингибиторы коррозии и биоциды, требующие удаления или обработки выдувной воды.

Несмотря на эти опасения, эксплуатационные выбросы значительно ниже, чем ископаемое топливо. На основе жизненного цикла геотермальные установки выделяют около 45 кг CO₂-экв на МВтч для флеш-растений и до 13 кг CO₂-экв на МВтч для бинарных установок, по сравнению с 900-1100 кг CO₂-экв на МВтч для угля и 400-500 кг CO₂-экв на МВтч для комбинированного цикла природного газа, согласно IPCC Sixth Assessment Report (2022).

Вывод из эксплуатации и восстановление сайта

В конце своей коммерческой жизни геотермальная установка демонтируется. Уэллс должен быть надлежащим образом закупорен цементом, чтобы предотвратить миграцию жидкости между водоносными горизонтами или на поверхность. Поверхностные структуры - турбинные залы, охлаждающие башни, трубопроводы - удаляются и перерабатываются везде, где это возможно. Бетон может быть раздавлен для дорожной базы, а стальной лом продается обратно на мельницы. Оставшаяся земля реградируется, пересаживается с местной растительностью и контролируется в течение нескольких лет, чтобы обеспечить успех восстановления.

Воздействие на окружающую среду при выводе из эксплуатации в значительной степени носит локальный и временный характер: шум, пыль и движение грузовиков во время сноса. Надлежащая закупорка скважин имеет решающее значение; если пренебрегать, заброшенные скважины могут выпускать парниковые газы или позволять загрязненному рассолу достигать мелководья. Анализ жизненного цикла должен учитывать эти долгосрочные обязательства. Некоторые геотермальные месторождения, такие как в районе Гейзеров в Калифорнии, продолжали производить пар в течение десятилетий с тщательным управлением резервуарами, задерживая вывод из эксплуатации на неопределенный срок. При правильном выполнении восстановления земля может вернуться в состояние, подобное ее состоянию до разработки, часто с чистой выгодой от восстановления и контроля эрозии.

Ключевые категории воздействия на окружающую среду на протяжении всего жизненного цикла

Землепользование и разрушение экосистем

Геотермальная энергия имеет одну из самых высоких плотностей мощности любого возобновляемого источника - около 1-2 МВт на гектар поверхностного возмущения (не включая подземный след резервуара). Это примерно в 10 раз лучше, чем крупномасштабная солнечная фотоэлектрическая энергия и в 100 раз лучше, чем береговой ветер, в зависимости от условий участка. Однако, возмущение земли сосредоточено на колодцах, дорогах и растительных структурах, которые могут фрагментировать среду обитания крупных млекопитающих и нарушить миграционные коридоры. В тропических геотермальных регионах, таких как Индонезия и Коста-Рика, строительный след может пересекаться с первичными тропическими лесами, требуя строгих оценок воздействия на окружающую среду и мер по смягчению последствий, таких как повышенные трубопроводы для поддержания проходов дикой природы. После строительства многие проекты реализуют планы восстановления растительного покрова вокруг инфраструктуры, в то время как буровые площадки уменьшены в размере.

Потребление воды и тепловое загрязнение

Вода является рабочей жидкостью в большинстве геотермальных установок. Традиционные вспышки и сухие паровые установки потребляют большое количество охлаждающей воды - часто из местных рек или подземных вод - через испарение в охлаждающих башнях. Это может истощить водные ресурсы, особенно в засушливых регионах, таких как западные Соединенные Штаты, где расположены многие геотермальные поля. Замкнутые бинарные установки используют вторичную рабочую жидкость (например, изопентан или R-134a) и требуют гораздо меньше охлаждающей воды; они могут даже работать с конденсаторами с воздушным охлаждением, снижая потребление воды почти до нуля. Риск теплового загрязнения также ниже для бинарных растений, потому что геотермальная жидкость никогда не вступает в прямой контакт с атмосферой, а охлажденный рассол полностью повторно вводится.

Когда флеш-растения выпускают теплую охлаждающую воду в реки или ручьи, повышенная температура может снизить уровень растворенного кислорода и стрессовую водную жизнь, особенно в чувствительных средах холодной воды. Впрыск всего произведенного рассола устраняет поверхностный тепловой разряд, а также помогает поддерживать давление в резервуаре, продлевая срок службы растения. Однако скважины для реинжекторной инъекции должны быть расположены, чтобы избежать короткого замыкания (холодная вода возвращается в производственную зону до ее повторного нагрева) и предотвратить тепловой прорыв. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) предоставляет рекомендации по геотермальной реинжекторной инъекции для защиты подземных источников питьевой воды.

Выбросы воздуха и парниковые газы

Геотермальные установки выделяют газы, которые естественным образом растворяются в жидкости резервуара. Основными составляющими являются углекислый газ (CO2, как правило, 5-15% по весу неконденсируемых газов), сероводород (H2S, 0,5-2%), метан (CH4, 0,1-0,5%) и следовые количества аммиака, ртути и радона. Без снижения выбросов H2S имеет характерный запах «гнилого яйца» и может быть токсичным при высоких концентрациях. Большинство современных растений устанавливают скрубберы, такие как система LO-CAT, которые преобразуют H2S в элементарную серу, которая продается в качестве побочного продукта. CO2 и метан являются парниковыми газами, но выбросы жизненного цикла на кВтч по-прежнему на порядок ниже, чем ископаемые виды топлива. Например, исследование Международной геотермальной ассоциации показало, что средние выбросы жизненного цикла для геотермальных установок составляют около 45 г CO2-экв/кВтч по сравнению с 60-100 г для солнечной фотоэлектрической энергии и 10-20 г для гидроэнергетики (

Бинарные установки имеют явное преимущество: геотермальная жидкость остается в герметичной цепи трубы, поэтому прямых выбросов газа не происходит. Единственные выбросы являются косвенными - от производства и транспортировки оборудования - которые уже низки. Следовательно, бинарные заводы часто классифицируются как почти нулевые выбросы возобновляемых источников.

Внушенная сейсмичность

Ввод жидкостей в геотермальные резервуары изменяет подземный стресс. В то время как большинство сейсмических событий являются микросейсмическими (M_]LL3.4) и Pohang Enhanced Geothermal System в Южной Корее (2017, M_]L5.5), оба вызваны гидравлической стимуляцией высокого давления. Обычные гидротермальные установки работают при гораздо более низком давлении инъекций и имеют гораздо меньший риск индуцированной сейсмичности. Тем не менее, операторы теперь регулярно развертывают местные сейсмические сети, реализуют протоколы «легкого дорожного движения» (прекратить впрыскивание, если магнитуда землетрясения превышает порог) и взаимодействуют с местными сообществами для поддержания прозрачности. Международная геотермальная ассоциация (IGA) публикует лучшие практики для управления индуцированной сейсмичностью, подчеркивая постепенный запуск, мониторинг в реальном времени и адаптивное управление.