Подземное тепло можно применять для выработки электроэнергии

Схема обогрева жилого строения за счет использования тепла земли с помощью теплообменника и рабочей жидкости,которая нагревается землей и обогревает дом. Рисунок Михаила Митина

Два источника тепла известны на Земле – солнечное тепло и внутреннее (геотермальное) тепло планеты. В отличие от солнечной энергии и энергии ветра источники энергии, использующие подземное тепло, от погоды не зависят, и в этом состоит их бесспорное преимущество. Существенно, что развитие геотермальной энергетики возможно везде, так как рост температуры с глубиной наблюдается повсеместно. В среднем температура с глубиной растет на 3 градуса по Цельсию на каждые 100 метров. По некоторым оценкам, геотермальные ресурсы на территории России в пересчете на тонны условного топлива в 10 раз превышают запасы органического топлива.

Формирование и перенос тепловой энергии

Наибольшее количество энергии Земля получает от Солнца, однако значительная ее часть теряется в атмосфере. Средняя величина потока солнечного тепла, достигающего поверхности Земли на континентах, несколько меньше потока тепла из недр Земли. Основная часть потока солнечной энергии через атмосферу излучается в космическое пространство, и лишь малая ее часть проникает на глубину, измеряемую метрами. Тепловой поток через единицу площади земной поверхности определяется произведением градиента температуры (измеряют внутри среды и в придонных частях океана) на коэффициент теплопроводности (измеряют на образцах горных пород или в условиях естественного залегания).

Тепловое поле Земли прямо или косвенно связано с протеканием тектонических процессов в земных недрах. Распределение теплового потока в континентальных и океанических областях находится в тесной корреляции с основными геологическими структурами. На континентах минимальные значения теплового потока характерны для щитов. Повышенным тепловым потоком характеризуются орогенические регионы и области третичных вулканов. Для океанических хребтов характерны значительные вариации теплового потока при большом его среднем значении, которое становится ниже среднего на крыльях этих хребтов. В океанических котловинах тепловой поток невелик, а наименьшие его значения отмечаются в глубоководных желобах. 

Для современной модели «холодного» происхождения Земли внутри нее необходимы источники тепла, обеспечивающие наблюдаемый тепловой поток и высокие температуры в недрах Земли. Принято считать, что главным источником тепловой энергии в недрах Земли является радиоактивный распад долгоживущих изотопов. Периоды их полураспада соизмеримы с возрастом Земли, поэтому они до сих пор остаются важными источниками тепла.  Полная теплота, выделившаяся при образовании земного ядра, имеет примерно ту же величину, что и суммарная теплота распада долгоживущих радионуклидов, выделившаяся за всю историю Земли. Таким образом, образование ядра было одним из главных факторов разогрева земных недр. 

Большая часть тепла из земных недр достигает поверхности Земли посредством теплопроводности горных пород (кондуктивный перенос тепла), а при высоких температурах имеет место перенос тепла посредством лучеиспускания (лучистого переноса), а также при помощи экситонов (атомов, возбужденных радиацией), которые увеличивают теплоперенос. Существует также гипотеза о наличии тепловой конвекции в Земле, которая в условиях жидкой среды позволяет перенести вверх большое количество тепла даже при небольшом температурном градиенте. Конвекция в верхней мантии является причиной направленных вверх течений разогретых жидкостей с малой плотностью (магм и гидротермальных растворов). 

Установленное практическое равенство средних тепловых потоков на континентах и в океанах оказалось неожиданным в свете устоявшегося взгляда на радиоактивный распад как один из основных источников энергии теплового потока. Дело в том, что в области континентов, содержащих мощный гранитный слой, тепловой поток должен был бы превышать тепловой поток через дно океана, где кора тоньше, а гранитный слой практически отсутствует. Согласно одной из гипотез, под океанами и континентами находится примерно одинаковое количество радионуклидов, причем большая их часть сконцентрирована в коре континентальных регионов, а под океанами основная их часть находится в верхней мантии. Этим и объясняется равенство тепловых потоков.

Источники геотермальной энергии

Камчатка богата гейзерами и горячими ключами. Фото с сайта www.kamchatkadolinageyzerov.ru

Источниками геотермальной энергии чаще всего служат природные горячие воды или пар, которые могут применяться для непосредственного обогрева зданий либо для получения электрической энергии. Использование тепловых энергетических ресурсов ограничивается геологическими факторами, поскольку необходимые условия для эксплуатации этих ресурсов практически имеются только в вулканически активных районах. 

Хрестоматийным примером стала Исландия – страна, не имеющая горючих ископаемых. Она, однако, расположена исключительно удачно с точки зрения использования геотермальной энергии, поскольку ориентирована вкрест простирания Срединно-Атлантического хребта в районе активного разрастания морского дна. На территории, ограниченной полосой 100-километровой ширины и включающей данный хребет, периодически происходят излияния лав из трещин и центральных жерл. Термальные флюиды, нагревающиеся на контакте с лавами на глубине нескольких километров до 200–300 градусов по Цельсию, улавливаются вблизи земной поверхности и используются для производства электроэнергии. Кроме того, они направляются по трубам в Рейкьявик для подачи тепла в здания и оранжереи. В 1957 году этот город стал первой в мире столицей без котельных и дымовых труб. Уже к 1975 году 2/3 населения этой страны пользовались геотермальной энергией. Сегодня 90% домов в Исландии обогреваются за счет горячих вод, поступающих из геотермальных источников. Эти же источники обеспечивают 30% выработки электроэнергии. Горячая вода поступает прямо в трубы из скважин глубиной 200–2000 м. В Рейкьявике дороги и тротуары всегда свободны от снега, поскольку они подогреваются от проложенных под ними труб с горячей водой. 

Современная мощность подземной теплогенерации превосходит космические тепловые потери Земли, которая продолжает разогреваться. Поэтому использование человечеством какой-то части геотермальной энергии безвредно для нашей планеты.

Геотермальные ресурсы разделяют на гидротермальные, предполагающие использование подвижных теплоносителей – природного пара, термальных вод и пароводных смесей, и петрогеотермальные, в которых используют энергию горячих твердых пород и их расплавов, которая может быть извлечена в их теплообмене с техногенным подвижным теплоносителем.

Гидротермальные теплоносители использовали еще в каменном веке, когда стоянки людей располагали вблизи геотермальных источников, которые использовали для варки пищи и лечебных целей. Римские патриции принимали лечебные ванны и отдыхали в природных геотермальных бассейнах. Первая в мире геотермальная скважина была с целью добычи борной кислоты пробурена в 1827 году выходцем из Франции Франческо Лардерелом. Поднимающийся из земных недр пар использовали здесь несколько столетий назад для получения содержащейся в нем борной кислоты. Существенно, что в этом районе нет вулканов, наблюдаются лишь фумаролы. Причина же термальной активности состоит в молодом интрузивном теле, расположенном на значительной глубине. Первая геотермальная электростанция (ГеоТЭС) в этом районе стала вырабатывать самую дешевую в мире электроэнергию, которая в 4–5 раз дешевле, чем на топливных энергоустановках. Вслед за Италией создание ГеоТЭС началось и в других странах. В настоящее время общая мощность таких станций в 25 странах на природном паре составляет 12 млн кВт. 

В России, как и в подавляющем большинстве стран, гораздо шире используют термальные воды не для электроэнергетики, а для теплоснабжения промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов. Общая тепловая мощность не менее чем 60 стран, использующих геотермальное теплоснабжение, составляет около 25 гВт. Использование геотермальных вод в теплоснабжении обходится как минимум в 1,5–2 раза дешевле топлива. В России геотермальные технологии успешно применяют в Дагестане, Чечне, Ставропольском и Краснодарском краях, Забайкалье, Омской области и др.

В России на глубине 4–6 км массивы горных пород с температурой 100–150 градусов по Цельсию распространены почти повсеместно, а с температурой 180–200 градусов – на довольно значительной части страны. Этих температур достаточно для отопления и горячего водоснабжения разных категорий потребителей. Производство электроэнергии на базе глубинного тепла Земли возможно при температуре не менее 250 градусов по Цельсию при извлечении его с глубины около 10 км, а в зонах аномально высоких температур – с меньших глубин.

Считается, что геотермальная энергетика является технологически менее емкой по сравнению с ветряной и солнечной, так как системы ГеоТЭС достаточно просты. При извлечении тепла Земли с недостаточными для прямого использования в паровой турбине температурами используют бинарные схемы с низкокипящими жидкостями. В этих схемах горячая термальная вода взаимодействует с другой (рабочей) жидкостью, имеющей более низкую температуру кипения. Обе жидкости пропускают через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину. До сих пор работающая на Камчатке Паратунская станция мощностью 600 кВт, построенная в 1960-х годах,  стала первой в мире станцией с бинарным циклом. Она позволила извлекать электроэнергию из воды с температурой от 700 градусов и стала прототипом для более 400 бинарных станций в мире.

За рубежом технологии извлечения тепла из горячих сухих подземных коллекторов получили название Hot Dry Rock (HDR-технологии), их успешно используют для отопления и кондиционирования воздуха во Франции, США, Японии, Германии и в десятках других стран.

Суть HDR-технологии состоит в следующем. Бурят 2–3 скважины до глубин с температурами, необходимыми для теплоснабжения или производства электроэнергии. Одна скважина нагнетательная и служит для подачи воды под давлением в зону нагрева, а другие скважины – эксплуатационные, по ним образовавшийся пар с необходимой температурой поступает на поверхность. Если естественная проницаемость пород разогретого массива недостаточна, то для образования в нем полости осуществляют гидроразрыв. Образовавшиеся в результате гидроразрыва трещины поддерживаются в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости.

Петротермальная энергетика активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании и Японии.

Экологические проблемы

В геотермальных технологиях имеется существенный недостаток: опасность сброса отработанного флюида в водоемы и реки. Чем больше глубина пласта-коллектора, тем выше минерализация геотермальных вод, интенсивность отложения солей и коррозии в скважинах и трубопроводах. Природный пар и пароводяная смесь также содержат агрессивные примеси, опасные для окружающей среды.  Кроме вредных выбросов, снижение пластового давления при дренаже чревато деформациями покрывающей толщи, приводящими к провалам земной поверхности. Экологические проблемы решаются путем использования реинжекции отработанного геотермального теплоносителя в тот же коллектор или иной проницаемый пласт. Но для этого необходимы отдельные непродуктивные скважины, в которые нагнетают охлажденный поток. Это приводит к существенному удорожанию геотермальной технологии.

Вездесущий гидроразрыв

В слабопроницаемых горячих массивах гидроразрыв способен создать искусственный геотермальный коллектор в виде обширных вертикальных трещин. Первая в мире геотермальная система с гидроразрывом была в 1977 году создана по проекту Лос-Аламосской национальной лаборатории. При этом был продемонстрирован фонтан пара из практически непроницаемого массива горячих гранодиоритов. Вслед за США аналогичные исследования были проведены в Великобритании, ФРГ, Японии, Франции, России и Швеции.  В 1995 году Японский институт электроэнергетики обнародовал проект, в котором предусматривалось бурение трех скважин с переходом на глубине 2 км в горизонтальные стволы в граните при температуре 2500 градусов. На этой глубине через каждые 25 м скважины пересекали вертикальные трещины гидроразрыва высотой 2 км. Расчетная стоимость электроэнергии составила величину, в 1,5–2 раза меньшую, чем газовой ТЭЦ или АЭС.

В России в 1991 году Санкт-Петербургским государственным горным институтом (СПГГИ) совместно с НПО «Недра» (Ярославль) и ГИПРОНикелем осуществлен гидроразрыв гранитов с температурой более 200 градусов по Цельсию в скважине глубиной около 4 км на склоне Эльбруса в Тырныаузе как первый этап создания системы геотермального теплоснабжения города, включенного в проект реконструкции крупнейшего в России вольфрамо-молибденового комбината. Накопленный при этом опыт специалисты СПГГИ использовали при создании опытно-промышленной геотермально-циркуляционной системы (ГЦС) в Санкт-Петербурге. Здесь положительная вариация геотемпературного поля приурочена к зоне рифта на границе Балтийского щита и Русской платформы, вытянутой вдоль Финского залива и северного побережья Балтийского моря. Освоение ресурсов геотермальной энергии горячих пород было включено в перспективный план развития этого города еще в советское время.

Геотермальные тепловые насосы

За рубежом эти устройства известны под названием GHP (geothermal heat pump). Они рассчитаны на использование низкопотенциального тепла Земли, не требующего, подобно глубинным гидротермальным источникам, особых условий для формирования высокотемпературного, или высокопотенциального, теплового поля. 

Практическое применение тепловой насос получил в 1940-х годах, когда изобретатель Роберт Вебер догадался использовать тепло, выходящее из морозильной камеры, для нагрева воды и отопления помещений. Затем у него появилась идея добывать тепло из верхних слоев Земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Для этого он поместил в грунт змеевик в виде медных труб, по которым циркулировал фреон, собиравший тепло Земли. Газ конденсировался, отдавая свое тепло дому, а затем снова проходил через змеевик, собирая очередную порцию тепла. Теплый воздух распространялся по дому при помощи вентилятора.

В настоящее время применяют два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли: открытые системы, в которых источником тепловой энергии служат грунтовые воды, и замкнутые системы, в которых теплообменники расположены в грунтовом массиве.

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовую воду из водоносных слоев и возвращать ее обратно в те же слои. Обычно для этого используют парные скважины. Достоинство открытых систем – возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако при этом требуются достаточная водопроницаемость грунта и хороший химический состав грунтовых вод. Эти системы используют для тепло- и холодоснабжения крупных зданий. Пример применения такой системы мощностью около 10 МВт – гостиничный комплекс в г. Луисвилле (штат Кентукки, США).

При циркуляции теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой в замкнутой системе происходит отбор тепла от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса. А если теплоноситель имеет повышенную относительно грунта температуру, то происходит его охлаждение.