Геотермальная энергетика в ЖКХ

Геотермическое районирование России: a – районы, пригодные для теплоснабжения зданий с помощью тепловых насосов; b – районы, перспективные для «прямого» использования; c – районы современного вулканизма, наиболее перспективные для «прямого» использования, выработки тепла и электроэнергии на бинарных установках, а также создания крупных ГеоЭС на парогидротермальных месторождениях; d – нет данных. 1 – Северный Кавказ (платформенная провинция), 2 – Северный Кавказ (альпийская провинция), 3 – Западная Сибирь, 4 – Прибайкалье, 5 – Курило-Камчатский регион, 6 – Приморье, 7–8 – Охотско-Чукотский вулканический пояс. Схема предоставлена автором

Геотермальные ресурсы являются  важнейшим источником развития энергетики, редкометалльной и химической промышленности, санаторно-бальнеологического и агропромышленного комплексов. Россия обладает огромными запасами гидрогеотермальных, то есть аккумулированных в подземных водах, и петротермальных, аккумулированных в горных породах ресурсов. В то же время в России они используются далеко не достаточно. Быстрый рост энергопотребления, ограниченность и удорожание ресурсов невозобновляемого топлива, обострение экологических проблем заставляют мировую экономику широко использовать альтернативные источники энергии.

Эффективное использование энергии является важным показателем научно-технического и экономического  уровня развития страны. Сопоставление показателей энергоэффективности экономики России с другими странами показывает, что удельная энергоемкость нашего внутреннего валового продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в высокоразвитых странах. Так, уровень энергопотребления в расчете на единицу сопоставимого ВВП России в 4 раза выше, чем в США,  в 3,6 раза выше, чем в Японии, в 2,5 раза выше, чем в Германии. Резервы экономии энергоресурсов в России могут составить 40–50 % от уровня потребляемых топлива и энергии. Проблема эффективного использования энергоресурсов во многом может быть решена за счет использования альтернативных источников энергии.

Использование внутреннего тепла земли насчитывает много столетий. Сначала оно применялось в бытовых и лечебных целях в местах наиболее активного проявления глубинной геотермальной активности, а затем уже в ХХ веке использование геотермальной энергии приобрело широкие промышленные масштабы. Во многих развитых странах геотермальные ресурсы стали основой для развития высокотехнологичных отраслей индустрии.

 В июле 2004 года геотермальная общественность широко отметила 100-летие геотермальной энергетики. 4 июля 1904 года в Лардерелло (местечко в провинции Тоскана, Италия) Пьеро Джинори Конти провел первый в мире эксперимент по производству электроэнергии из геотермального пара. А через девять лет, в 1913 году в Лардерелло была пущена в промышленную эксплуатацию первая геотермальная электрическая станция мощностью 250 кВт, действующая до сих пор.

В 2004 году отмечалось также 50-летие российской геотермальной энергетики. 15 марта 1954 года Президиум Академии наук СССР принял решение создать лабораторию по исследованию геотермальных ресурсов в Петропавловске-Камчатском. А уже в 1966 году на Камчатке была построена и пущена в эксплуатацию первая геотермальная электрическая станция на реке Паужетке мощностью 5 МВт с традиционным циклом. К 1980 году  мощность Паужетской ГеоЭС была доведена до 11 МВт. Станция и сейчас продолжает успешно работать. В 1967 году заработала Паратунская ГеоЭС с бинарным циклом, построенная на основе разработанной и запатентованной Самсоном Кутателадзе и Львом Розенфельдом уникальной технологии бинарного цикла для получения электроэнергии. Патент у СССР  был тогда куплен  многими странами. Особенно преуспели в развитии  этой технологии в Израиле, куда позже эмигрировала группа советских специалистов и основала компанию «Ормат».

Низкие цены на углеводородное сырье в 70-е годы и кризис 90-х надолго затормозили развитие геотермальной энергетики в России. Нынешние высокие цены на нефть и газ требуют незамедлительного развития альтернативной энергетики. Во-первых, невозобновляемые ресурсы быстро истощаются, особенно при нынешнем состоянии экспорта нефти и газа. Во-вторых, на внутреннем рынке цены на топливо неизбежно приближаются к мировым. Экономить энергию придется всеми возможными способами. Отягчающим обстоятельством для развития геотермальной энергетики явится также углеводородная ориентированность российской экономики. Новые месторождения нефти и газа долго не разведывались и не осваивались, а вновь открытые в Арктике и на шельфе Дальнего Востока экономически малорентабельны. Их освоение потребует огромных затрат, а экономическая целесообразность эксплуатации сохранится только при высоком уровне цен на углеводороды. Даже небольшое снижение мировых цен на нефть и газ потребует от России огромного напряжения для выполнения взятых на себя международных обязательств по уровню продаж. Предвидя экономические риски, правительство может еще больше сосредоточиться на углеводородном сырье. Разведка, бурение, освоение потребуют новых капиталовложений в нефтегазовый сектор, а геотермальная энергетика может опять оказаться в стороне. Этого нельзя допустить. Создание стабильной экономики и устойчивого развития требует организации многовекторной энергетики, способной обеспечить потребности промышленности и общества на разных уровнях – глобальном, региональном, локальном. Необходимо использовать имеющийся зарубежный опыт, когда страны с развитой экономикой и недостатком сырьевых ресурсов были вынуждены развивать инновационные технологии для освоения  альтернативной энергии. 

Московский дом с геотермальной системой  теплоснабжения. Фото автора

Геотермальные станции на Камчатке и Курилах

Наиболее ярких успехов в развитии геотермальной энергетики Россия достигла на Камчатке. Камчатская область обладает богатейшими геотермальными ресурсами, позволяющими полностью обеспечить энергетические потребности края на 100 лет вперед. Наиболее перспективным является Мутновское геотермальное месторождение, разведанные запасы которого оцениваются в 300 МВт. Новейшая история освоения Мутновского месторождения пережила несколько этапов: от геологической разведки, оценки запасов, проектирования и строительства первых геотермальных станций Паужетской и Паратунской до строительства Верхне-Мутновской и Мутновской ГеоЭС мощностью 12 и 50 МВт соответственно.

Общая мощность энергообъектов на Камчатке, включая Паужетскую ГеоЭС, оценивается в 73 МВт. Это составляет 25 % потребности региона в электроэнергии, что позволяет даже в случае прекращения поставок мазута на полуостров решить стратегическую задачу обеспечения электроэнергией жилого сектора и жизненно важных объектов.

На Курилах работают две  ГеоЭС –  мощностью 2,6 МВт (на о. Кунашир) и 6 МВт (на о. Итуруп). Таким образом, общая мощность ГеоЭС России составляет 81,6 МВт. 

Геотермальные исследования в России

Геотермальные ресурсы России хорошо изучены (см. схему). Наиболее перспективными регионами для практического использования геотермальных ресурсов на территории России являются Северный Кавказ, Западная Сибирь, Прибайкалье, Курило-Камчатский регион, Приморье, Охотско-Чукотский вулканический пояс. Практически повсеместно внутреннее тепло земли может осваиваться с помощью тепловых насосов.

Использованием и усовершенствованием тепловых насосов для утилизации геотермальных ресурсов занимается целый ряд организаций.  Пионерами использования тепловых насосов в России явились НПО «Недра» в Ярославле и группа компаний «Инсолар-инвест» в Москве. На тепловых насосах работают экспериментальная школа в деревне Филиппово Ярославской области, демонстрационный комплекс «Экопарк-Фили», энергоэффективный жилой дом в Москве на улице Академика Анохина. Особенно широко тепловые насосы используются в коттеджном строительстве. Использование тепловых насосов в России имеет очень большие перспективы, и резервы здесь огромны.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии могут служить грунт поверхностных слоев земли, водоемы и природные водные потоки, окружающий воздух, вентиляционные выбросы зданий и сооружений, канализационные стоки, сбросное тепло технологических процессов. Импульсом к интенсивному развитию тепловых насосов в мире послужил энергетический кризис 1973 года. За три года рынок тепловых насосов в США достиг уровня 300 тыс. установок в год. Наибольшее распространение эти системы получили в США, Канаде, Японии, Исландии, Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии.

Темпы роста производства тепловых насосов ежегодно увеличиваются на 30–40%. Так, в Японии уже установлено более 10 млн тепловых насосов, в США ежегодно производится 1 млн установок. В Швеции получают от теплонасосов более 50% тепла. Мировым лидером по величине использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев земли на душу населения является Швейцария. В России производится около 1000 тепловых насосов в год, чего, конечно, совершенно недостаточно. Даже необходимость экономии в отоплении,  слабая газификация страны, огромные территории и потребность в энергоснабжении отдаленных регионов не приводят к столь необходимой интенсификации отрасли. Сочетание тепловых насосов с другими источниками возобновляемых энергоресурсов – солнца, ветра, биотоплива – открывает захватывающие перспективы энергонезависимого автономного экологичного жилищного строительства.

Петрогеотермальные ресурсы 

Первые опыты извлечения тепла сухих пород (Hot Dry Rock – HDR) были выполнены Лос-Аламосской лабораторией в кальдере Валес (Нью-Мексико, США). В массиве горячих скальных пород мощным гидроразрывом была создана система трещин. Циркуляционная система включала нагнетательную скважину, по которой закачивалась холодная вода, и эксплуатационную, которая выводила нагревшийся в трещинах теплоноситель. Такой эксперимент проводился и в нашей стране  в городе Тырнауз (Кабардино-Балкария). Здесь гидроразрыв гранитного массива был осуществлен на глубине 3,7 км, где температура достигает 200 градусов Цельсия. Из-за аварии в скважине эксперимент был прекращен. Сейчас в России опять возник большой интерес к использованию тепла сухих горячих пород, что вызвано развитием новых передовых технологий. Вопрос упирается в инвестиции.

Петрогеотермальные ресурсы активно используются в США, Австралии, Англии, Германии, Японии, Франции. Запасы этих ресурсов огромны,  перспективы их использования грандиозны, и за ними будущее.

Проблемы и перспективы использования геотермальных ресурсов в России

Доля нетрадиционных и возобновляемых источников энергии в энергобалансе России ничтожно мала – меньше 1%. Развитие  альтернативной энергетики зависит от того, будет ли государство поддерживать этот бизнес. 

Существует много препятствий, мешающих увеличению использования геотермальных ресурсов. Наибольшие препятствия связаны с управлением геологическими рисками. Инвесторы готовы взять на себя экономические, финансовые и технологические риски. Однако часто они не обладают специальными знаниями, которые требуются для оценки и управления геологическими рисками, что снижает возможность инвестиций в дорогостоящие геотермальные проекты. Без гарантий государства здесь не обойтись.

Опыт ведущих промышленно развитых стран показывает, что использование возобновляемых источников энергии на промышленном уровне невозможно без государственной поддержки со стороны законодательной и исполнительной власти. Так, в Германии в 2003 году был принят закон о стимулировании развития геотермальной энергетики, в соответствии с которым для всех геотермальных электрических станций устанавливалась  стоимость 1 кВт/ч в 15 евроцентов, при этом все местные энергетические компании были обязаны забирать всю вырабатываемую этими электростанциями электроэнергию. В США был принят ряд  федеральных законов, заставляющих коммунальные предприятия покупать электроэнергию у независимых производителей, что привело к интенсивному росту производства геотермальной энергии с 1980 по 1990 год.

В любом случае необходима большая просветительская и научно-образовательная работа по пропаганде использования экологически чистых инновационных технологий для освоения альтернативных источников энергии, включая геотермальные ресурсы. Широкая общественность зачастую плохо информирована о возможностях и перспективах использования внутреннего тепла земли  на федеральном, региональном и локальном уровне, включая индивидуальное строительство и теплоснабжение. В этом плане интересным примером, достойным подражания, может служить создание «дома возобновляемой энергии» в Брюсселе, Бельгия.

В 2000 году несколько энергетических ассоциаций решили разместить свои офисы в одном здании – так и родилась идея «дома возобновляемой энергии» (ДВЭ).  

«Дом возобновляемой энергии» – это не просто офисное здание. Это действующая выставка энергосберегающих технологий и технологий ВИЭ в черте города. ДВЭ демонстрирует существенное сокращение потребления энергии на отопление, освещение и кондиционирование за счет энергосберегающих мер, а также максимально возможное использование ВИЭ для удовлетворения энергетических потребностей. В здании реализованы следующие технические решения по энергосбережению: теплоизоляция фасада и крыши, двойное остекление, экономичные системы освещения, вентиляция с рекуперацией тепла, система отопления на пеллетах, система солнечного теплоснабжения и адсорбционная система солнечного кондиционирования, геотермальное теплоснабжение и кондиционирование.

Демонстрационный комплекс «Экопарк-Фили» в Москве близок по идеологии к «дому возобновляемой энергии» в Брюсселе. И подобную работу следует всячески поддерживать и развивать.

В 2008 году в Москве был создан комитет «нетрадиционные  источники энергии и теплонасосные системы», объединяющий ведущих специалистов и экспертов страны в области использования нетрадиционных источников энергии, вторичных энергоресурсов и теплонасосных систем, в том числе и геотермальных.

Комитет  является открытой структурой НП «АВОК» – ассоциации инженеров по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха, созданной в 1990 году.

Ежегодно АВОК проводит совместно с правительством Москвы  конференции и выставки «Москва – энергоэффективный город». В 2014 году прошли уже 31 конференция и выставка. Альтернативные источники энергии там всегда широко представлены. Ежегодно в мероприятии принимают участие более 5 тыс. специалистов.

В октябре 2014 года прошел двухдневный саммит глав стран Евросоюза, в ходе которого была принята стратегия по климату и энергетике до 2030 года.

Основные тенденции на рынке отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) Европейского союза тесно связаны с требованиями Директивы по энергетической эффективности (2012) и Директивы по увеличению доли использования возобновляемых источников энергии (2009). Основная цель этих документов – подвигнуть рынок к строительству зданий с нулевым потреблением невозобновляемой энергии, то есть нефти и газа.

Одной из главных мировых тенденций развития ОВК является  развитие децентрализованных систем энергоснабжения зданий. Развитие систем, использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии, и в особенности тепловые насосы, позволяет практически в любой точке планеты, от районов с вечной мерзлотой до экватора, энергетически эффективно обеспечить здание тепловой энергией и холодом. Будущее за гибридными теплонасосными системами теплохладоснабжения, использующими в качестве источника тепла низкого потенциала грунт в комбинации с теплом атмосферного воздуха и вентиляционными выбросами зданий. Эта технология сегодня фактически уже повсеместно доступна, и ее широкое применение сдерживается лишь экономическими соображениями.

Одним из основных трендов стратегии является строительство зданий высокой экологической и энергетической эффективности, являющихся результатом совместной работы архитекторов, конструкторов и инженеров. Самые значительные результаты были достигнуты в сфере автоматизации инженерных систем здания, которые становятся все более интеллектуальными и позволяют организовать правильное взаимодействие всех систем в здании. 

В области использования геотермальной энергии Россия тесно сотрудничает с Международной геотермальной ассоциацией (International Geothermal Association – IGA).