Земля согреет. Потенциал геотермальной энергетики превышает общую мощность всех электростанций мира

Еще полтора столетия назад добыча тепла из подземных вод и разогретых пород земной коры выглядела фантастикой. Сегодня же некоторые страны на треть, а в отдельных случаях почти полностью удовлетворяют свои потребности в энергии за счет термальных вод, пара и магмы спящих вулканов.

Вечный двигатель
Геотермальная энергетика являет собой целый ряд различных способов добычи тепла, электроэнергии или просто горячего водоснабжения из подземных источников. Выделяют как минимум пять основных видов геотермальных ресурсов: горячие подземные воды, сухие раскаленные породы, сухой пар, пар с конденсатом, а также водные разогретые резервуары, сформировавшиеся из атмосферных осадков. Природа происхождения тепла каждого из этих ресурсов отличается несущественно и связана с внутренним разогревом планеты. Источником подземного тепла является ядро Земли, в котором происходят постоянные распады радиоактивных веществ. В результате этих реакций выделяется тепло, которое разогревает породу до 4000–50000С. Чем ближе к земной поверхности, тем температура ниже. Как правило, каждые 33 м она повышается на 10С. То есть уже на глубине в 5–6 км вода нагрета более чем на 1300С. В некоторых регионах «термальный шаг» может быть меньше. Например, в районе расположения вулканов температура пород повышается на 10С каждые 2–3 м. На Северном Кавказе геотермическая ступень составляет 15–20 м, а в Австралии уже на глубине 4,5 км некоторые породы разогреты до 2700С.
Внутреннее тепло распадающихся от ядерных реакций частиц нагревает все возможные подземные теплоносители: воду, породу и воздух, затерявшийся в разломах тектонических плит и других трещинах. От близко залегающей магмы, разогретой до 13000С, нагревается и накапливающаяся в пустотах вода от дождей и снегов. Поскольку ядерные реакции в глубине планеты происходят постоянно, каменные породы все время находятся в разогретом состоянии, а запасы воды регулярно пополняются, геотермальные ресурсы можно считать практически неиссякаемым энергетическим источником. Некоторые пытливые умы просчитали, что даже если все энергоресурсы мира заменить сегодня энергией, полученной из-под земли, и использовать столь же интенсивно, как сегодня, то пройдет более 40 млн лет, прежде чем температура планеты опустится на полградуса. Температура же отдельного пласта при активном использовании может уменьшаться на 10С каждые 25–30 лет. 

Наиболее активно геотермальные источники используются в Исландии, Новой Зеландии, Италии, Индонезии, на Филиппинах. В Исландии геотермальная энергетика покрывает почти 100% всех потребностей в электроэнергии, на Филиппинах этот показатель достигает 30%. В Дагестане и Чечне в некоторых городах тепло- и горячее водоснабжение на треть осуществляется за счет геотермальных ресурсов. До 12% тепловых потребностей Стокгольма обеспечивается за счет тепла со дна Балтийского моря. Государственная поддержка этого направления энергетики в США заключается в законодательно закрепленной обязанности устанавливать тепловые насосы (даже при минимальных возможностях земной теплоотдачи) при строительстве нового дома. Перспективными источниками перегретых вод обладают множественные вулканические зоны планеты, в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, обширные территории Кордильер и Анд, а в Украине — предгорья Карпат и Крымских гор. 

Мечта коммунальщика
Общий объем выделяемого внутри планеты тепла в топливном эквиваленте составляет примерно 4,5х108 трлн т условного топлива. По разным оценкам, эти ресурсы смогут обеспечить работу геоТЭС общей мощностью до 200–250 млн кВт (при глубинах бурения скважин до 7 км и сроках работы станций порядка 50 лет). Кроме того, могут быть задействованы также системы геотермального теплоснабжения общей мощностью до 1,2–1,5 млрд кВт (при глубинах бурения скважин до 4 км и 50-летнем сроке эксплуатации).
Технически достижимым на сегодня является горизонт в 12 км. Разрабатываются породы на уровне 10 км. Здесь температура подземных теплоносителей достигает 2000С. Однако наиболее активные разработки ведутся на менее глубоких горизонтах — до 5 км. Ученые полагают, что здесь природой зарезервировано всего около 1% геотермального потенциала (порядка 300 ГВт). Только в верхнем трехкилометровом слое Земли запасено количество тепловой энергии, эквивалентное энергии примерно 300 млрд т угля. Остальные почти 30 тыс. ГВт находятся глубже. И усилия для их извлечения должны наращиваться в геометрической прогрессии.
С другой стороны, «неглубокие» районы, пригодные для использования со сравнительно небольшими финансовыми и трудовыми затратами, встречаются достаточно редко, чтобы говорить о возможности использования их потенциала в промышленных масштабах. Хотя и этот потенциал на сегодняшний день не выбран: суммарная установленная мощность всех геотермальных электростанций мира едва превышает 17 ГВт (для сравнения: установленная мощность всех электростанций Украины — около 53 ГВт). При желании эти мощности (17 ГВт) могут снабдить электроэнергией порядка 60 млн человек, или 1% населения земного шара. При этом стоимость 1 кВт•ч выработанной энергии не превысит $0,02, тогда как 1 кВт•ч энергии, произведенной современными ветроэлектростанциями, обходится в $0,035–0,038, то есть почти вдвое дороже. В сравнении с теплом, выработанным на ТЭЦ, 1 Гкал тепла, добытого с помощью геотермальных источников, обходится почти вчетверо дешевле ($5 против $18).
Способы использования геотермального тепла напрямую зависят от его температуры. Для производства электроэнергии подойдут горизонты, прогревающиеся более чем до 140–1500С. Уже при таких температурах выдаваемый на-гора пар способен вращать турбины. Менее прогретые теплоносители — каменные породы и вода, разогретые до 1000С, пригодны для бытового теплоснабжения зданий и сооружений. 1 млн куб. м геотермальной воды экономит коммунальному хозяйству до 7 тыс. т условного топлива. Более холодные ресурсы (около 600С) можно использовать в качестве источника для горячего водоснабжения. И наконец, самые холодные воды (менее 600С) годятся для обогрева теплиц, геотермальных холодильных установок.
Существует несколько путей извлечения тепла из-под земли. Если речь идет о подземных водах (залегают на глубине до 3 км), которые используются для коммунальных нужд, то, как правило, достаточно пробурить две скважины: через одну вода под давлением будет выходить на поверхность (если речь идет о залежах вблизи горных хребтов, то, наоборот, будет стекать в долину по принципу водонапорной башни), а через вторую возвращаться под землю. Стоимость таких скважин оценивается в 2–5 млн евро на каждый мегаватт мощности установки, которая станет получать энергию из-под земли. Сбрасывать добытую воду можно лишь назад под землю, поскольку в ней полно солей и минералов, токсичных металлов (бор, свинец, цинк, кадмий, мышьяк) и химических соединений (аммиак, фенолы). Сливать ее в пресные водоемы небезопасно для окружающей среды. По этой же причине одним из приоритетных направлений усовершенствования технологии добычи геотермальной воды является ее максимальная очистка, что позволит продлить срок службы чувствительного к солям оборудования. Но даже если в такой воде и не содержится половины таблицы Менделеева, она все равно в большинстве случаев чрезвычайно соленая (иногда в 10 раз соленее морской воды), что также не позволяет оставлять ее в пресных водоемах. Еще одна неприятная, с точки зрения экологии, особенность геотермальных вод — это выбросы сероводорода и радона, которыми сопровождаются водные извержения. Впрочем, для атмосферы они менее вредны, чем выделяющийся в процессе производства электроэнергии традиционным путем углекислый газ. Количество СО2, выделяемое при производстве 1 кВт•ч электроэнергии из высокотемпературных геотермальных источников, составляет в среднем 65 г, тогда как при сжигании природного газа эмиссия СО2 достигает 453 г на 1 кВт•ч, нефти — 906 г, угля — 1042 г.
С другой стороны, геотермальные минералы имеют множество целебных свойств, потому во многих случаях подземные источники тепла используются по двойному назначению: для проведения лечебных процедур в санаториях и пансионатах и как источник их энергоснабжения. Причем часто добывать воду даже не приходится: она сама поднимается на поверхность по трещинам в земных породах. Если же вода выходит на поверхность вместе с паром, их также можно разделять, пуская последний на электрогенерирующую турбину.
Добывать сухое тепло (на глубине от 3 до 6 км) гораздо проще. Рядом с горячими породами прокладываются трубы с теплоносителем — водой со специальными добавками, помогающими удерживать тепло. Холодная вода закачивается в трубу, а на выходе уже нагревшаяся вода или пар поступает на теплообменник, где передает тепло далее по системе, например, для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой в свою очередь приведет в действие паровые турбины. Энергетические затраты насосов, которые приводят в действие такие теплообменные установки, в четыре-пять раз меньше, чем объемы вырабатываемой с их помощью энергии. Но этот способ добычи тепла пород пока доступен на небольших глубинах, где прокладывание трубопроводов экономически и технологически оправдано либо где подземное течение подаваемой воды легко контролировать.
На небольших глубинах (до 100 м) для извлечения тепла земли применяются тепловые насосы, настроенные на использование низкопотенциальной тепловой энергии с температурой до 100С. В качестве источника такой энергии может быть использовано тепло как естественного происхождения (наружный воздух, тепло грунтовых, артезианских и термальных вод, воды рек, озер, морей и других незамерзающих природных водоемов), так и техногенного (промышленные сбросы, очистные сооружения, тепло силовых трансформаторов и любое другое сбросовое тепло). Принцип их действия заключается в «вытягивании» на поверхность подземного тепла теплоносителем, который затем может доводиться до нужной температуры электрокотлом.

Укротители подземелья
Перспективным направлением в развитии геотермальной энергетики на сегодняшний день является снижение максимального уровня температур, при которых можно добывать сухое тепло. Уже известны экспериментальные установки, способные извлекать из 70–80-градусного ресурса столько же энергии, сколько и из традиционных 1000С. Ученые работают и над тем, чтобы максимально извлекать из геотермальной воды полезные компоненты: йод, бром, литий, цезий, соль, бор. Одновременно научные изыскания ведутся на предмет защиты оборудования от воздействия содержащихся в воде вредных компонентов. Наиболее перспективной в ближайшие годы будет отделка труб стекловолокном, которое задержит часть вредных для техники элементов.
Еще одна важная проблема — это необходимость концентрировать тепло от геотермальных источников, рассеянное по всей «подкорке» Земли. Ведь его плотность в 3,5 тыс. раз ниже, чем плотность солнечного излучения. А это значит, что для сбора тепла, например, на больших глубинах необходимо разрабатывать целые шахты и лабиринты, чтобы поверхность, отдающая тепло, была максимальной. На сегодняшний день уже есть проекты по созданию больших подземных полостей или разветвленных систем трещин в горных породах управляемыми обычными или ядерными взрывами. Однако пока не изучено, как такая человеческая активность повлияет на состояние подземных глубин.