Методы изучения и оценки геотермальных ресурсов

СОДЕРЖАНИЕ

 ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день планета стоит под угрозой  глобального экологического кризиса. Неконтролируемый выброс отходов, потребление невозобновимых ископаемых вызвали катастрофические последствия. Фактически, наша современная цивилизация основана на нефти и газе, и дефицит этих ресурсов грозит глобальными экономическими потрясениями. Поэтому особую важность приобретают альтернативные источники энергии. К ним предъявляются следующие требования: минимальное отрицательное воздействие на окружающую среду, большие запасы энергии, неисчерпаемость либо возобновимость. Геотермальные ресурсы обладают всеми необходимыми качествами и должны занимать достойное место в структуре энергетики. На данном этапе крупные компании-поставщики традиционных энергоресурсов практически монополизировали рынок и не считают нужным вкладывать средства в разработку новых видов сырья. Наилучшим выходом могло бы стать создание всемирного фонда развития альтернативных источников энергии, в который государства вносили бы деньги, которые они тратят на экологию. Чтобы остановить загрязнение, нужно не запрещать старые технологии, а сделать экономически выгодным использование новых.

1.СУЩНОСТЬ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ  РЕСУРСОВ

Издавна люди знают о  стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится -  пока  нет возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.

Энергетика земли - геотермальная энергетика базируется на использовании природной теплоты Земли. Верхняя часть земной коры имеет термический градиент, равный 20-30 °С в расчете на 1 км глубины, и, по данным Уайта (1965 г.), количество теплоты, содержащейся в земной коре до глубины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6-10^26 Дж. Эти ресурсы эквивалентны теплосодержанию 4,6·10¹⁶ т угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6-10⁹ Дж/т), что более чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресурсов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры (до глубины 10 км) слишком рассеяна, чтобы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты.

С геологической точки  зрения геотермальные энергоресурсы можно разделить на гидротермальные конвективные системы, горячие сухие системы вулканического происхождения и системы с высоким тепловым потоком.

К категории гидротермальных  конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты  горячен или расплавленной скальной породой, расположенной относительно близко к поверхности земли. Над этой зоной высокотемпературной скальной породы находится формация из проницаемой горной породы, содержащая воду, которая поднимается вверх в результате ее подстилающей горячей породой. Проницаемая порода, в свою очередь, сверху покрыта непроницаемой скальной породой, образующей “ловушку” для перегретой воды. Однако наличие в этой породе трещин или пор позволяет горячей воде или пароводяной смеси подниматься к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.[1,c.43]

При перемещении в  направлении к центру Земли температура  в верхних слоях земной коры возрастает в среднем на 1°C на каждые 100 м (геотермическая ступень). В более древних слоях геотермическая ступень меньше средней величины, в молодых изверженных породах она превышает среднее значение. Если бы геотермальная ступень определяла изменение температуры на всех глубинах, то в центре Земли температура была бы 200 000°C. Однако анализ наблюдений над лавой при вулканических извержениях и сейсмические исследования приводят к выводу, что в центре Земли температура должна быть всего лишь около 2000...5000°C. Следовательно, геотермическая ступень с глубиной должна уменьшаться.

Разогрев земной коры происходит за счет радиоактивного распада радия, урана, тория и калия, которые распределены в ней неравномерно: граниты содержат больше радиоактивных веществ, чем расположенные ниже базальты. Слой повышенной радиоактивности земной коры имеет толщину в несколько километров. Поскольку с глубиной возрастает теплопроводность и уменьшается геотермическая ступень, тепло накапливается и разогревает внутренние слои планеты.[3, c.81]

В Симплонском туннеле уже на глубине 2 135 м за счет повышенного содержания радиоактивных веществ горные породы имеют температуру 53°C. В золотых рудниках Колара на юге Индии на глубине 3 км температура пород достигает 65°C. Имеющаяся в земной коре вода разогревается горными породами и может переносить тепло в более высокие горизонты. Например, в долине Паужетки (Камчатка) вода с температурой 200°C подходит к поверхности земли на расстояние в 100...300 м. На глубине более 13...14 км вода переходит в пар. При температурах и давлениях, господствующих ниже 60 км, молекулы воды существовать уже не могут.

Геотермальными называются выделяющиеся из недр Земли воды с температурой выше 20°C. В большинстве случаев  они имеют температуру от 40 до 100°C. Наибольшая температура поступающей к земной поверхности геотермальной воды может достигать 300°C, а температура пара доходить до 600°C.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с  горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извлечением из нее минералов. Примерами геотермальных месторождений с горячей водой являются Уайракей и Бродлендс в Новой Зеландии, Серро-Прието в Мексике, Солтон-Си в Калифорнии, Отаке в Японии.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко- или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Установки, использующие фреон в качестве теплоносителя второго контура, о настоящее время подготовлены для промышленного освоения в диапазоне температур 75-150 °С и при единичной электрической мощности в пределах 10-100 кВт. Такие установки могут быть использованы для производства электроэнергии в подходящих для этого местах, особенно в отдаленных сельских районах.[3,c.98]

Ко второму типу геотермальных  ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся магма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальные породы). Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещиноватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагревается II извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотренных ранее способов.

Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где  в зоне с высокими значениями теплового потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100 °С.

Особая категория месторождений  этого типа находится в районах, где нормальный тепловой поток через грунт оказывается в ловушке из изолирующих непроницаемых пластов глины, образовавшихся в быстро опускающихся геосинклинальных зонах или в областях опускания земной коры. Температура воды, поступающей из геотермальных месторождений в зонах геодавления, может достигать 150-180 °С, а давление у устья скважины 28-56 МПа. Суточная производительность в расчете на одну скважину может составлять несколько   миллионов кубических метров флюида. Геотермальные бассейны в зонах повышенного геодавления найдены во многих районах в ходе нефтегазоразведки, например, в Северной и Южной Америке, на Дальнем и Ближнем Востоке, в Африке и Европе. Возможность использования таких месторождений в энергетических целях пока еще не продемонстрирована.[1,c.55]

2.ИЗУЧЕНИЕ, ОЦЕНКА  И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ  ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ

Наиболее ярким примером использования геотермальных ресурсов является Исландия. Многочисленные исландские теплицы получают энергию исключительно из тепла земли. Эта страна богата горячими источниками и гейзерами-фонтанами горячей воды. Столица - Рейкьявик,  в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников.  Однако первая электростанция,  работавшая на геотермальных ресурсах, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера  Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. В  наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины-360 тысяч киловатт.  В Новой Зеландии  существует  такая электростанция в районе Вайракеи,  ее мощность 160 тысяч кило- ватт.  В 120 километрах  от  Сан-Франциско  в  США  производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.

Давайте также рассмотрим опыт наших ближайших соседей- Украины.

В течение последних 5-10 лет в Украине ограниченными  средствами велись работы по изучению геотермических условий недр и оценке геотермальных ресурсов, как для всей территории, так и для отдельных ее регионов, площадей и месторождений. По результатам этих работ построены геотермические карты, оценены ресурсы термальных вод и геотермальной энергии, содержащейся в «сухих» горных породах. Районами возможного использования геотермальной энергии в Украине являются Закарпатье, Крым, Предкарпатье, Полтавская, Харьковская, Донецкая, Луганская, Херсонская, Запорожская области и некоторые другие.[4,c.112]

Обобщение и анализ мирового опыта использования геотермальной  энергии показывает, что по масштабам использования теплоты недр Украина существенно отстает от многих зарубежных стран. Одной из основных причин является отсутствие достаточного экономичных и эффективных технологий извлечения и использования низкотемпературных теплоносителей.

Разработка и освоение интенсивных технологий извлечения теплоносителя и создания эффективных систем использования теплоты недр является главной научной и инженерно-технической проблемой энергетики. Без создания таких технологий и установок нельзя рассчитывать на широкомасштабное использование этого энергоисточника.

Согласно данным Государственного комитета Украины по геологии и использованию недр, основанных на результатах геологоразведочных работ, выполненных в 1970-1979 гг. на территории Крымского региона, установленные потенциальные ресурсы подземных геотермальных вод составляют до 27 млн. куб. м в сутки. Потенциал этого источника достаточен для работы энергетических установок мощностью до 35-40 МВт, которые могут произвести до 150 млрд. кВт. ч. тепловой энергии в год.

Техническая возможность  на современном этапе развития научных достижений, позволяет достичь в ближайшие 15 лет до 10-15 % использования этого потенциала и получить до 15 млрд. МВт. ч. дополнительной тепловой энергии для целей теплоснабжения в северных и северо-западных районах Крыма. Наибольший потенциал геотермальной энергетики выявлен в районах Тархан-кутского и Керченского полуостровов.

Современное развитие геотермальной  энергетики предполагает экономическую целесообразность использования следующих видов подземных геотермальных вод:

— температурой более 140°С и глубиной залегания до 5 км для выработки электроэнергии;

— температурой около 100°С для систем отопления зданий и  сооружений;

— температурой около 60-70°С для систем горячего водоснабжения.

Основные перспективные  направления использования геотермальной энергии в Автономной Республики Крым и технические решения по их реализации определены и разработаны институтом технической теплофизики Национальной Академии наук (НАН) Украины. В настоящее время доведены до опытно-промышленной и промышленной стадии внедрения следующие технологии и установки по использованию геотермальной энергии:

— системы геотермального теплоснабжения населенных пунктов, промышленных, сельскохозяйственных, социальных, коммунально-бытовых и др. объектов;

— геотермальные электростанции;