Природа геотермальной энергии

Природа геотермальной  энергии

Еще 150 лет тому назад на нашей планете использовались исключительно  возобновляемые и экологически безопасные источники энергии: водные потоки рек  и морских приливов – для вращения водяных колес, ветер – для  приведения в действие мельниц и  парусов, дрова, торф, отходы сельского  хозяйства – для отопления. Однако с конца XIX века все более и  более растущие темпы бурного  промышленного развития вызвали  необходимость сверхинтенсивного освоения и развития сначала топливной, а затем и атомной энергетики. Это привело к стремительному истощению углеродных ископаемых и к все более возрастающей опасности радиоактивного заражения и парникового эффекта земной атмосферы. Поэтому на пороге нынешнего века пришлось вновь обратиться к безопасным и возобновляемым энергетическим источникам: ветровой, солнечной, геотермальной, приливной энергии, энергии биомасс растительного и животного мира и на их основе создавать и успешно эксплуатировать новые нетрадиционные энергоустановки.

В то время, как достигнутые  успехи в создании ветровых, солнечных  и ряда других типов нетрадиционных энергоустановок широко освещаются в журнальных публикациях, геотермальным  энергоустановкам и, в частности, геотермальным  электростанциям не уделяется того внимания, которого они по праву  заслуживают. А между тем перспективы использования энергии тепла Земли поистине безграничны, поскольку под поверхностью нашей планеты, являющейся, образно говоря, гигантским естественным энергетическим котлом, сосредоточены огромнейшие резервы тепла и энергии, основными источниками которых являются происходящие в земной коре и мантии радиоактивные превращения, вызываемые распадом радиоактивных изотопов. Энергия этих источников столь велика, что она ежегодно на несколько сантиметров сдвигает литосферные пласты Земли, вызывает дрейф материков, землетрясения и извержения вулканов, из которых действующих, т. е. периодически извергавшихся за последние 500 лет, насчитывается 486. Кроме действующих, различают также потухшие или "уснувшие" вулканы, которые могут "проснуться" и начать извергаться в любой момент, как это, например, случилось в 79 году нашей эры с вулканом Везувий, который до этого пребывал в состоянии длительного покоя.

Рис.1

Таким образом, явные проявления колоссальной энергии тепла Земли  наблюдаются в виде землетрясений  и извержений вулканов, вызывающих огромные разрушения, в сотни и  даже тысячи раз превосходящие разрушения от взрыва атомной бомбы.

Совсем другая картина  наблюдается в случае, когда тот  или иной вулкан не извергает лаву и пепел, а находятся в спокойном  состоянии, как это наглядно демонстрируют  приведенные на рис.1 фотографии Мутновского вулкана, расположенного на юге Камчатки (Российская Федерация). На этих фотографиях показано: панорама внутри вулкана (а), в окрестности вулкана (б), в кратере вулкана (г).

К сожалению, человечество еще  не научилось использовать энергию  вулканов в мирных целях. А вот  рассматриваемые далее скрытые, на первый взгляд незаметные, проявления энергии земных недр, уже давно  эффективно используются людьми для  получения тепловой, а в течение  последних почти 100 лет также и  электрической энергии.

Одним из таких скрытых  проявлений этой энергии является рост температуры земной коры и мантии по мере приближения к ядру Земли. Эта температура с глубиной повышается в среднем на 20°С на 1 км, достигая на уровне 2–3 км от поверхности Земли более 100, а на глубине 100 км даже 1300–1500єС, что вызывает нагрев воды, циркулирующей на больших глубинах, до значительных температур. В вулканических регионах нашей планеты эта вода поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, а в сейсмически спокойных регионах ее можно выводить на поверхность по пробуренным скважинам. Для этого достаточно закачивать в эти скважины вниз холодную воду, получая при этом по рядом пробуренным скважинам поднимающуюся вверх перегретую геотермальную воду и образовавшийся из нее пар. [1–8].

Основные достоинства  и недостатки геотермальной энергии

Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена: истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также с существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу. Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере учитывать ее достоинства и недостатки.

Главным достоинством геотермальной  энергии является возможность ее использования в виде геотермальной  воды или смеси воды и пара (в  зависимости от их температуры) для  нужд горячего водо- и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Тем самым использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем:

Обеспечение устойчивого  тепло- и электроснабжения населения  в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение  отсутствует или обходится слишком  дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т.п.).

Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения  в зонах неустойчивого централизованного  энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных  отключений и т.п.

Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных  регионах со сложной экологической  обстановкой.

При этом в вулканических  регионах планеты высокотемпературное  тепло, нагревающее геотермальную  воду до значений температур, превышающих 140–150°С, экономически наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100°С, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл.1.

Таблица 1

Обратим внимание на то, что  эти рекомендации по мере развития и совершенствования геотермальных  технологий пересматриваются в сторону  использования для производства электроэнергии геотермальных вод  с все более низкими температурами. Так, разработанные в настоящее  время комбинированные схемы  использования геотермальных источников позволяют использовать для производства электроэнергии теплоносители с  начальными температурами 70–80°С, что значительно ниже рекомендуемых в табл.1 температур (150°С и выше). В частности, в Санкт-Петербургском политехническом институте созданы гидропаровые турбины, использование которых на ГеоТЭС позволяет увеличивать полезную мощность двухконтурных систем (второй контур – водный пар) в диапазоне температур 20–200°С в среднем на 22 %.

Значительно повышается эффективность  применения термальных вод при их комплексном использовании. При этом в разных технологических процессах можно достичь наиболее полной реализации теплового потенциала воды, в том числе и остаточного, а также получить содержащиеся в термальной воде ценные компоненты (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и многие другие) для их промышленного использования.

Основной недостаток геотермальной  энергии – необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный  водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы. Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Однако в связи с  внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением  эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор  тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. К тому же следует иметь ввиду, что геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80єС, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с эти ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом и первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится. [3, 6, 7].

Пример ГеоТЭС

Еще более впечатляет появившаяся  несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской компанией  Geodynamics Ltd., поистине революционная технология строительства ГеоТЭС – так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию. Суть этой технологии заключается в следующем.

До  самого последнего времени в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого принципа и решили сами создать подходящий "гейзер". Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру. По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270°С, и поэтому, если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность. После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, и цикл таким образом повторится. Принципиальная схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd приведена на рис.2.

Рис. 2

Безусловно, реализовать  эту технологию можно не в любом  месте, а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до температуры не менее 250–270°С. При  применении такой технологии ключевую роль играет температура, понижение которой на 50°С по оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.

Для подтверждения прогнозов  специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и получили доказательство того, что на этой глубине температура достигает искомых 270–300°С. В настоящее время проводятся работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем стоимость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветровой энергии и в 8 – 10 раз дешевле солнечной. [5].

Мировой потенциал  геотермальной энергии и перспективы  его использования

Группа эксперт из Всемирной  ассоциации по вопросам геотермальной  энергии, которая произвела оценку запасов низко- и высокотемпературной  геотермальной энергии для каждого  континента, получила следующие данные по потенциалу различных типов геотермальных  источников нашей планеты (табл.2).

Таблица 2

Как видно из табл.2, потенциал геотермальных источников энергии просто таки колоссален. Однако используется он крайне незначительно: установленная мощность ГеоТЭС во всем мире на начало 1990-х годов составляла всего лишь около 5000, а на начало 2000-х годов – около 6000 МВт, существенно уступая по этому показателю большинству электростанций, работающих на других возобновляемых источниках энергии. Да и выработка электроэнергии на ГеоТЭС в этот период времени была незначительной. Однако в настоящее время геотермальная электроэнергетика развивается ускоренными темпами, не в последнюю очередь из-за галопирующего увеличения стоимости нефти и газа. Этому развитию во многом способствуют принятые во многих странах мира правительственные программы, поддерживающие это направление развития геотермальной энергетики.