Внутри Земли содержится огромная тепловая энергия. Оценки здесь пока довольно разные, но по самым скромным подсчетам, если ограничиться глубиной 3 км, то из этого слоя может быть извлечено 8 х 1017 кДж геотермальной энергии. В то же время масштабы ее реального применения у нас в стране и во всем мире незначительны. В чем здесь дело и каковы перспективы использования геотермальной энергетики?
Геотермальная энергия — энергия тепла Земли. Энергия, выделяемая из естественного тепла Земли, называется геотермальной энергией. В качестве источника энергии, тепло Земли, в сочетании с уже имеющимися технологиями, могло бы обеспечить потребности человечества на долгие-долгие годы. И это даже не касаясь тепла, находящегося слишком глубоко, в недосягаемых пока областях.
Миллионы лет из недр нашей планеты выделяется это тепло, причем скорость остывания ядра не превышает 400 °C за миллиард лет! При этом температура ядра Земли, по разным данным, составляет на данный момент не менее чем 6650 °C, и постепенно уменьшается по направлению к ее поверхности. 42 триллиона ватт тепла постоянно выделяются Землей, лишь 2% от которых приходятся на кору.
Внутренняя тепловая энергия Земли то и дело грозно проявляется в форме извержений тысяч вулканов, землетрясений, движений земной коры и других, менее заметных, но от того не менее глобальных, природных процессов.
Научная точка зрения на причины данного явления, заключается в том, что происхождение тепла Земли связано с постоянно идущим процессом радиоактивного распада урана, тория и калия в недрах планеты, а также с гравитационной сепарацией вещества в ее ядре.
Гранитный слой земной коры, на глубине от 20000 метров, является основной областью радиоактивного распада на континентах, а для океанов наиболее активным слоем является верхняя мантия. Ученые считают, что на континентах, на глубине порядка 10000 метров, температура подошвы коры составляет около 700 °C, тогда как в океанах температура достигает лишь 200 °C.
Два процента геотермальной энергии, приходящихся на земную кору, постоянно составляют 840 миллиардов ватт, и это технологически доступная энергия. Наилучшие места для извлечения этой энергии — области близ краев континентальных плит, где кора значительно тоньше, а также районы сейсмической и вулканической активности — где земное тепло проявляет себя очень близко к поверхности.
Где и в каком виде проявляется геотермальная энергия
На данный момент освоением геотермальной энергии активно занимаются: США, Исландия, Новая Зеландия, Филиппины, Италия, Сальвадор, Венгрия, Япония, Россия, Мексика, Кения и другие страны, где тепло из недр планеты поднимается к поверхности в форме пара и горячей воды, вырывающихся наружу, при температурах достигающих 300 °С.
В качестве ярких примеров можно привести знаменитые гейзеры Исландии и Камчатки, а также известный Йеллоустонский национальный парк, расположенный на территории американских штатов Вайоминг, Монтана и Айдахо, занимающий площадь почти в 9000 квадратных километров.
Говоря о геотермальной энергии, очень важно помнить, что в основном она является низкопотенциальной, то есть температура воды или пара, выходящих из скважины, невысока. А это существенно сказывается на эффективности применения такой энергии.
Дело в том, что для производства электроэнергии сегодня экономически целесообразно иметь температуру теплоносителя не ниже 150 °С. В этом случае он направляется непосредственно в турбину.
Есть установки, использующие воду более низкой температуры. В них геотермальная вода нагревает теплоноситель второго контура (например, фреон), имеющий низкую температуру кипения. Образовавшийся пар вращает турбину. Но мощности подобных установок невелики (10 — 100 кВт), а потому стоимость энергии будет выше, чем на электростанциях, использующих воду с высокой температурой.
Геотермальные месторождения — это пористые породы, заполненные горячей водой. По существу — они представляют собой природные геотермальные котлы.
А что если воду, отработавшую на поверхности земли, не сбрасывать, а возвращать в котел? Создать циркуляционную систему? В этом случае будет использоваться не только теплота термальной воды, но и окружающих горных пород. Такая система позволит увеличить общее ее количество в 4—5 раз. Снимается вопрос о загрязнении окружающей среды минерализованными водами, поскольку они возвращаются в подземный горизонт.
В форме горячей воды или пара тепло доставляется на поверхность, где используется либо напрямую для обогрева зданий и домов, либо для генерации электрической энергии. Кроме того полезно и поверхностное тепло Земли, до которого добираются, как правило, путем бурения скважин, где градиент возрастает на 1 °C с каждыми 36 метрами.
Для освоения этого тепла используются тепловые насосы. Горячая вода и пар служат для генерации электроэнергии и для отопления напрямую, а теплота сосредоточенная глубоко в отсутствии воды — преобразуется в полезный вид тепловыми насосами. Энергия магмы и теплота которая накапливается под вулканами, — извлекаются аналогичными путями.
Вообще, существует ряд стандартных способов получения электроэнергии на геотермальных электростанциях, но опять же — либо напрямую, либо по схеме похожей на тепловой насос.
В простейшем случае пар просто направляется через трубопровод на турбину электрогенератора. В усложненной схеме — пар предварительно очищается, чтобы растворенные вещества не разрушали трубы. В смешанной схеме — растворенные в воде газы устраняют после конденсации пара в воду.
Наконец, существует бинарная схема, где теплоносителем (для забора тепла и для вращения турбины генератора) выступает другая жидкость с низкой температурой кипения (схема с теплообменником).
Наиболее перспективными считаются вакуум-водяные и хлористо-литиевые абсорбционные тепловые насосы. Первые повышают температуру термальной воды за счет расхода электроэнергии в вакуум-водяном насосе.
Вода из скважины с температурой 60 — 90 °С поступает в вакуумный испаритель. Образовавшийся пар сжимается турбокомпрессором. Давление выбирается в зависимости от того, какая требуется температура теплоносителя.
Если вода идет непосредственно в систему отопления, то это 90 — 95 °С, если в тепловые районные сети, то 120 — 140 °С. В конденсаторе сжатый пар отдает свое тепло воде, циркулирующей в городских тепловых сетях, системах отопления и горячего водоснабжения.
Какие еще существуют варианты, чтобы расширить масштабы применения геотермальной энергетики?
Одно из направлений связано с использованием в значительной мере выработанных нефтяных и газовых месторождений.
Как известно, добыча этого сырья в старых месторождениях ведется методом заводнения, то есть в скважины закачивается вода, которая вытесняет нефть и газ из пор коллектора.
По мере выработки пористые коллекторы заполняются водой, приобретающей температуру окружающих горных пород, и таким образом месторождения превращаются в геотермальный котел, откуда одновременно можно добыть нефть и получать воду для теплоснабжения.
Конечно, приходится бурить дополнительные скважины и создавать циркуляционную систему, но это обойдется значительно дешевле, чем при освоении нового геотермального месторождения.
Еще один вариант — отбор тепла от сухих пород с помощью образования искусственных проницаемых зон. Суть метода в том, чтобы создать с помощью взрывов в сухих породах пористость.
Извлечение теплоты из таких систем ведется следующим образом: на определенном расстоянии друг от друга бурятся две скважины. В одну закачивается вода, которая, двигаясь ко второй по образовавшимся порам и трещинам, отбирает от пород тепло, нагревается, а затем поднимается на поверхность.
Такие опытные системы уже действуют в США и Англии. В Лос-Аламосе (США) две скважины — одна глубиной 2700 м, а другая — 2300 м соединены при помощи гидроразрыва и заполнены циркулирующей водой, нагревающейся до температуры 185 °С. В Англии на карьере Розмениуз вода нагревается до 80 °С.
Геотермальная электростанция
Тепло планеты как энергетический ресурс
Возле итальянского города Ларедерелло проходит электрическая железная дорога, источником электроэнергии для которой служит сухой пар из скважины. Система работает с 1904 года.
Поля гейзеров в Японии и в Сан-Франциско — два других известных места в мире, где также используется сухой горячий пар для генерации электроэнергии. Что касается влажного пара, то более обширные его поля — в Новой Зеландии, и меньшие по площади — в Японии, России, Сальвадоре, Мексике, Никарагуа.
Если рассмотреть геотермальную теплоту как энергетический ресурс, то его запасы в десятки миллиардов раз превышают годовое потребление энергии человечеством во всем мире.
Всего 1% тепловой энергии земной коры, взятой с глубины в 10000 метров, хватило бы чтобы перекрыть в сотни раз запасы ископаемого топлива, такого как нефть и газ, непрерывно добываемых человечеством, что приводит к необратимому истощению недр и к загрязнению окружающей среды.
Виной всему экономические причины. А ведь геотермальным электростанциям свойственен весьма умеренный уровень выбросов углекислого газа, примерно 122 кг на мегаватт-час полученной электроэнергии, что значительно меньше выбросов, имеющих место при производстве электроэнергии с использованием ископаемого топлива.
Промышленные ГеоЭС и перспективы геотермальной энергетики
Первая промышленная ГеоЭС мощностью 7,5 МВт была построена в 1916 году в Италии. С тех пор накоплен бесценный опыт.
По состоянию на 1975 год общая установленная мощность ГеоЭС в мире составляла 1278 МВт, а в 1990 уже 7300 МВт. Наибольшие объемы освоения геотермальной энергии приходятся на США, Мексику, Японию, Филиппины и Италию.
Первая ГеоЭС на территории СССР была возведена на Камчатке в 1966 году, ее мощность составила 12 МВт.
Начиная с 2003 года в России работает Мутновская ГеоЭС, мощность которой сейчас составляет 50 МВт — это самая мощная в России ГеоЭС на данный момент.
Крупнейшей в мире ГеоЭС является Olkaria IV в Кении, ее мощность составляет 140 МВт.
В перспективе видится весьма вероятным использование тепловой энергии магмы в тех регионах планеты, где она находится не слишком глубоко под поверхностью Земли, а также тепловой энергии разогретых кристаллических пород, когда в выбуренную скважину глубиной в несколько километров закачивают холодную воду, а на поверхность возвращают горячую воду или пар, а дальше получают отопление или генерацию электроэнергии.
Возникает вопрос — почему на данный момент так мало реализованных проектов использования геотермальной энергии? Прежде всего потому, что они размещены в благоприятных местах, где вода либо сама изливается на поверхность земли, либо расположена весьма неглубоко. В таких случаях не нужно бурить глубокие скважины, а ведь именно они — самая дорогостоящая часть освоения геотермальной энергии.
Масштабы использования термальных вод для теплоснабжения значительно больше, чем для производства электроэнергии, однако и они пока малы и не играют значительной роли в энергетике.
Геотермальная энергетика делает лишь первые шаги и проводящиеся исследования, опытно-промышленные работы должны дать ответ о масштабах ее дальнейшего развития.