Геотермические источники энергии

     Введение

     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 приведение в действие мельниц и парусов, дрова, торф, отходы сельского хозяйства - для отопления. Однако с конца ХІХ 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: приливные электростанции (ПЭС), ветровые энергоустановки (ВЭУ), геотермальные (ГеоТЭС) и солнечные (СЭС) электростанции, волновые энергоустановки (ВлЭУ), морские электростанции на месторождениях газа (КЭС).

     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.

     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 1300-1500°С, 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.

     Несмотря  на кажущуюся простоту получения  перегретой геотермальной воды и  образующегося из нее пара и последующего преобразования энергии этой воды и  пара в электроэнергию с помощью  турбин и подсоединенных к ним  турбогенераторов, техническая реализация такого способа получения электроэнергии, подробно рассматриваемого в этой работе, является достаточно сложной научно-технической  проблемой. Об этом, в частности, свидетельствует  хотя бы тот факт, что в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии и некоторых других странах в  течение последних 20 лет затраты  только на создание новых геотермальных  технологий превысили 2 млрд. долларов США.

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 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.

     - 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. 

     Табл.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 80°С, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с эти ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом и в первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

     Еще более впечатляет появившаяся несколько  лет тому назад новая, разработанная  австралийской компанией Geo dynamics 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^ºС, 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.

     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.

Мировой потенциал геотермальной  энергии и перспективы  его использования

     Группа  экспертов 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). 

     Табл.2