Нержавеющая сталь движет будущее геотермальной энергии

Ожидается, что к 2040 году мощности геотермальной энергетики удвоятся, и нержавеющая сталь станет ключом к решению самых серьезных проблем.

В глобальной гонке за более чистое и безопасное энергетическое будущее геотермальная энергетика постепенно набирает обороты. Хотя солнечные панели и ветряные турбины часто затмевают всё больше внимания, геотермальная энергия, получаемая из внутреннего тепла Земли, всё чаще признается надёжным, низкоэмиссионным и масштабируемым решением. Благодаря инновациям в технологиях бурения, изменению геополитических приоритетов и более продуманному выбору материалов, таких как нержавеющая сталь, геотермальная энергетика перестала быть узкоспециализированным рынком, а стала краеугольным камнем перехода к «зелёной» энергетике.

Обладая многолетним опытом и знаниями в области исследований и разработок в области нержавеющей стали, мы сейчас сосредоточены на изучении того, как современные материалы могут способствовать развитию новых технологий. Геотермальная энергетика сегодня является одним из самых перспективных направлений.

Неиспользованный потенциал геотермальной энергии
Геотермальная энергия использует естественное тепло, хранящееся под поверхностью Земли. Эта тепловая энергия может использоваться для выработки электроэнергии или прямого отопления домов, зданий и промышленных процессов.

Существует три основных типа геотермальных электростанций:

• Сухие паровые установки, которые напрямую используют подземный пар для привода турбин.

• Установки мгновенного испарения, которые извлекают горячую воду под высоким давлением, которая быстро испаряется, превращаясь в пар, при падении давления.

• Электростанции с бинарным циклом, которые используют геотермальное тепло для испарения вторичной жидкости с более низкой температурой кипения, которая затем приводит в движение турбину.

Установки бинарного цикла особенно интересны, поскольку они могут работать при более низких температурах, что делает геотермальную энергию доступной для использования в большем количестве регионов.

По данным Международного энергетического агентства (МЭА), мировые мощности геотермальной энергетики, по прогнозам, будут стремительно расти с нынешних 16 ГВт. При текущей политике ожидается, что к 2030 году мощность геотермальной генерации превысит 22 ГВт, а к 2040 году превысит 40 ГВт. Этот значительный скачок обусловлен как технологическими инновациями, так и острой необходимостью декарбонизации энергетических систем.

Совокупные инвестиции в геотермальную энергетику, 2025–2050 гг.:

Что движет развитием геотермальной энергетики?
Несколько недавних разработок ускоряют развитие геотермальной энергетики.

Инновации в технологиях бурения в нефтегазовой отрасли снижают стоимость строительства новых геотермальных скважин, а новые технологии, такие как плазменное бурение, обещают произвести революцию в этой отрасли. Кроме того, усовершенствованные геотермальные системы (УГС) позволяют создавать искусственные резервуары в сухих горячих породах, раскрывая геотермальный потенциал в районах, ранее считавшихся непригодными для использования.

Одним из важнейших факторов развития геотермальной энергетики является растущая поддержка со стороны правительств и международных организаций по всему миру. Политики признают геотермальную энергию стратегическим инструментом для перехода к чистым, безопасным и устойчивым энергетическим системам.

В Европейском союзе Закон о промышленности с нулевым уровнем выбросов (Net-Zero Industry Act) определил геотермальную энергетику как ключевую технологию для достижения целей «зелёного» перехода. Закон направлен на оптимизацию процессов утверждения, снижение административной нагрузки и прямое финансирование инфраструктуры чистой энергетики, включая геотермальные проекты.

Правительства Франции, Германии и Нидерландов планируют запустить к 2030 году более 200 геотермальных отопительных установок. Кроме того, многочисленные проекты планируются или инициируются по всей Европе.

В Европе температура рассола для теплопередачи обычно не превышает 100 °C, и большинство геотермальных электростанций используется для централизованного теплоснабжения. Однако 2023 год стал вторым подряд рекордным годом по продажам геотермальных тепловых насосов, увеличившись на 11,7% по сравнению с 2022 годом. Примечательно, что даже температура до 80 °C может использоваться для выработки электроэнергии с помощью бинарных циклов, также известных как органические циклы Ренкина (ORC).

В Соединенных Штатах поддержка геотермальной энергетики получает признание обеих партий. Исследовательская служба Конгресса США отмечает, что усовершенствованные геотермальные системы (УГС) могут удовлетворить до 12% спроса на электроэнергию в США к 2050 году. Министерство энергетики США также запустило инициативу на сумму 84 миллиона долларов США по финансированию пилотных демонстрационных проектов УГС в рамках двухпартийного закона об инфраструктуре. Эти проекты направлены на демонстрацию возможностей применения УГС в различных геологических условиях и продвижение геотермальной энергии как надежного источника энергии с нулевым уровнем выбросов углерода.

Геополитическая обстановка, особенно война на Украине и энергетический кризис в Европе, побудили европейские страны обратиться к геотермальной энергии как к буферу, защищающему от волатильности мировых рынков топлива. В отличие от нефти и газа, которые подвержены геополитической напряжённости и ценовым шокам, геотермальная энергия по своей природе локальна. После строительства геотермальной электростанции она может обеспечивать стабильное и недорогое электроснабжение в течение десятилетий, не подверженное колебаниям мирового рынка.

Роль геотермальной энергии в зеленом переходе
В отличие от солнечной и ветровой энергии, геотермальная энергия не зависит от погодных условий. Фактически, коэффициент использования мощностей геотермальных электростанций составляет более 75%, в то время как у ветроэлектростанций этот показатель составляет менее 30%, а у солнечных — менее 15%. Это делает геотермальную энергию особенно ценной в качестве источника базовой нагрузки, обеспечивая стабильную круглосуточную подачу электроэнергии для удовлетворения постоянного спроса.

С точки зрения воздействия на окружающую среду, геотермальные электростанции выбрасывают гораздо меньше парниковых газов, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе. Согласно расчётам Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL), средний уровень выбросов за весь жизненный цикл геотермальной энергии сопоставим с показателями других возобновляемых источников энергии и значительно ниже, чем у ископаемого топлива:

• Уголь: 1001 г CO₂-экв./кВт·ч

• Природный газ: 486 гCO₂e/кВт·ч

• Солнечные фотоэлектрические системы: 43 г CO₂e/кВт·ч

• Геотермальная энергия: 37 гCO₂e/кВт·ч

• Ветер: 13 гCO₂e/кВт·ч

Помимо экологических преимуществ, геотермальная энергия повышает энергетическую безопасность. Будучи локальным источником, не зависящим от импорта топлива, она снижает зависимость от волатильности мирового энергетического рынка и геополитических рисков. После ввода в эксплуатацию геотермальная электростанция может производить электроэнергию десятилетиями, требуя минимального обслуживания, занимая меньше места по сравнению с другими энергетическими объектами и обеспечивая долгосрочную стабильность затрат.

Кроме того, некоторые геотермальные поля, такие как Солтон-Си и Верхний Рейнский рифт, могут способствовать накоплению энергии. Высококонцентрированный литий из геотермальных рассолов этих регионов может быть использован для производства аккумуляторов.

Преимущества нержавеющей стали
Геотермальные среды отличаются высокой агрессивностью, а извлекаемые флюиды часто содержат высокие концентрации хлоридов, сероводорода и других коррозионных элементов. Поэтому выбор материалов имеет решающее значение для безопасности, экономической эффективности и долговечности.

По сравнению с углеродистой сталью, нержавеющая сталь не только обеспечивает превосходную коррозионную стойкость, но и снижает риск осаждения ионов тяжёлых металлов — явления, известного как «окалинообразование тяжёлых металлов», которое особенно распространено в формации Ротлигенд в Нидерландах и на севере Германии. Это обусловлено наличием пассивного слоя на поверхностях нержавеющей стали, который препятствует переносу электронов между сталью и ионами металла, тем самым препятствуя осаждению.

Основные области применения нержавеющей стали в геотермальных системах:

• Теплообменники: в установках бинарного цикла они эффективно передают тепло от геотермального рассола к вторичной жидкости. Нержавеющие стали, такие как дуплексная сталь 2205, обладают превосходной коррозионной стойкостью и теплопроводностью.

• Трубопроводы и трубки: нержавеющая сталь, используемая для транспортировки геотермальных жидкостей, обеспечивает долговечность и снижает затраты на обслуживание. Решения с механическим покрытием труб могут быть экономически эффективным вариантом.

• Обсадные трубы: защищают глубокие геотермальные скважины от обрушения и загрязнения. Нержавеющая сталь незаменима в средах с высоким содержанием хлоридов, выдерживая интенсивные термические и механические нагрузки.

• Резервуары и клапаны: используются для хранения химикатов и работы с жидкостями под высоким давлением и высокой температурой. Долговечность нержавеющей стали снижает риск утечек и поломок. Использование дуплексной нержавеющей стали часто позволяет уменьшить вес резервуара и снизить первоначальные затраты по сравнению с углеродистой сталью с покрытием.

• Сосуды под давлением или реакторы для извлечения лития: процесс концентрирования хлорида лития и его преобразования в карбонат лития при высоких температурах и давлении требует использования сплавов с высокой коррозионной стойкостью, таких как 2507 или Sanicro 35.

Нержавеющая сталь — это не просто выбор материала, это вклад в будущее геотермальной энергетики. Инвестиции в правильные материалы сегодня гарантируют безопасное и эффективное использование энергии Земли для будущих поколений. Путь к устойчивому энергетическому будущему — это не только внедрение новых технологий, но и более разумный и надёжный выбор материалов, которым мы доверяем строительство этого будущего.