Термин “геотермальная энергия” происходит от греческого слова земля (гео) и тепловой (термальный). По сути, геотермальная энергия исходит из самой земли . Тепло от ядра земли, температура которого в среднем составляет 3600 градусов Цельсия, излучается в сторону поверхности планеты.
Обогрев источников и гейзеров под землей на глубине в несколько километров может осуществляться с помощью специальных скважин, через которые поступает горячая вода (или пар от неё) до поверхности, где она может использоваться непосредственно как тепло или косвенно для выработки электроэнергии путем включения вращающихся турбин.
Так как вода под поверхностью земли постоянно пополняется, а ядро Земли будет продолжать вырабатывать тепло относительно человеческой жизни бесконечно, геотермальная энергия,в конечном счете, чистая и возобновляемая.
Методы сбора энергетических ресурсов Земли
Сегодня есть три основных метода сбора геотермальной энергии: сухой пар, горячая вода и бинарный цикл. Процесс с сухим паром прямо вращает привода турбин генераторов электроэнергии. Горячая вода поступает снизу вверх, затем распыляется в бак, чтобы создать пар для привода турбин. Эти два метода являются наиболее распространенными, генерируя сотни мегаватт электроэнергии в США, Исландии, Европе, России и других странах. Но расположение ограничено, так как эти заводы работают только в тектонических регионах, где легче получить доступ к подогретой воде.
При технологии бинарного цикла извлекается на поверхность теплая (не обязательно горячая) вода и объединяют её с бутаном или пентаном, который имеет низкую температуру кипения. Эта жидкость перекачивается через теплообменник, где испаряется и направляется через турбину перед рециркуляцией обратно в систему. Технологии бинарного цикла дает десятки мегаватт электроэнергии в США: Калифорнии, Неваде и на Гавайских островах.
Принцип получения энергии
Недостатки получения геотермальной энергии
На уровне полезности, геотермальные электростанции являются дорогостоящими, чтобы построить и работать. Для поиска подходящего места требуется дорогостоящее обследование скважин без гарантии попадания в продуктивную подземную горячую точку. Тем не менее, аналитики ожидают увеличения этой мощности почти вдвое в течение следующих шести лет.
Кроме того районы с высокой температурой подземного источника находятся в районах с активными геологохимическими вулканами. Эти «горячие точки» образовались на границах тектонических плит в местах, где кора достаточно тонкая. Тихоокеанский регион, часто называют как кольцо огня для многих вулканов, где есть много горячих точек, в том числе на Аляске, Калифорнии и Орегоне. Невада имеет сотни горячих точек, охватывающих большую часть северной части США.
Есть и другие сейсмически активные районы. Землетрясения и движение магмы позволяют воде циркулировать. В некоторых местах вода поднимается к поверхности и природные горячие источники и гейзеры происходят, такие, как на Камчатке. Вода в гейзерах Камчатки достигает 95° C.
Одна из проблем открытой системы гейзеров является выделение некоторых загрязнителей воздуха. Сульфид водорода - токсичный газ с очень узнаваемым запахом «тухлого яйца» - небольшое количество мышьяка и минералов, выпущенных с паром. Соль также может представлять экологическую проблему.
На геотермальных электростанциях расположенных в море значительное количество мешающей соли накапливается в трубах. В замкнутых системах нет выбросов и возвращается вся жидкость доведенная до поверхности.
Экономический потенциал энергоресурса
Сейсмически активные точки не являются единственными местами, где можно найти геотермальную энергию. Существует постоянный запас полезного тепла для целей прямого нагрева на глубине везде от 4 метров до нескольких километров ниже поверхности практически в любом месте на земле. Даже земля на собственном заднем дворе или в местной школе имеет экономический потенциал в виде тепла, чтобы выдавать в дом или другие здания.
Кроме того существует огромное количество тепловой энергии в сухих скальных образованиях очень глубоко под поверхностью (4 – 10 км).
Использование новой технологии может расширить геотермальные системы, где люди смогут использовать это тепло для производства электроэнергии в гораздо большем масштабе, чем обычные технологии. Первые демонстрационные проекты этого принципа получения электричества показаны в Соединенных Штатах и Австралии еще в 2013 году.
Если полный экономический потенциал геотермальных ресурсов может быть реализован, то это будет представлять огромный источник электроэнергии для производственных мощностей. Ученые предполагают, что обычные геотермальные источники имеют потенциал 38 000 МВт, который может производить 380 млн МВт электроэнергии в год.
Горячие сухие породы залегают на глубинах от 5 до 8 км везде под землей и на меньшей глубине в определенных местах. Доступ к этим ресурсам предполагает введение холодной воды, циркулирующей через горячие скальные породы и отвода нагретой воды. В настоящее время нет коммерческого применения этой технологии. Существующие технологии пока не позволяют восстанавливать тепловую энергию непосредственно из магмы, очень глубоко, но это самый мощный ресурс геотермальной энергии .
С комбинацией энергоресурсов и ее последовательности, геотермальная энергия может играть незаменимую роль как более чистая, более устойчивая энергетическая система.
Конструкции геотермальных электростанций
Геотермальная энергия — это чистое и устойчивое тепло от Земли. Большие ресурсы находятся в диапазоне в нескольких километрах под поверхностью земли, и еще глубже, до высокой температуры расплавленной породы, называемой магмой. Но как описано выше люди пока не добрались к магме.
Три конструкции геотермальных электростанций
Технология применения определяется ресурсом. Если вода поступает из скважины как пар, она может использоваться непосредственно. Если горячая вода достаточно высокой температуры она должна пройти через теплообменник.
Первая скважина для производства энергии была пробурена до 1924 года. Более глубокие скважины были пробурены в 1950-х, но реальное развитие происходит в 1970-х и 1980-х годов.
Прямое использование геотермального тепла
Геотермальные источники также могут использоваться непосредственно для целей отопления. Горячая вода используется для обогрева зданий, выращивания растений в теплицах, сушки рыбы и сельскохозяйственных культур, улучшение добычи нефти, помощи в промышленных процессах как пастеризаторы молока и обогрев воды на рыбных фермах. В США Кламат-Фолс, штат Орегон и Бойсе, Айдахо геотермальная вода используется для обогрева домов и зданий более века. На восточном побережье, город Уорм-Спрингс, Вирджиния получает тепло непосредственно из родниковой воды, используя источники тепла на одном из местных курортов.
В Исландии практически каждое здание в стране нагревается горячей родниковой водой. В самом деле Исландия получает более 50 процентов первичной энергии из геотермальных источников. В Рейкьявике, например, (население 118 тыс. чел), горячая вода передается по конвейеру на 25 километров, и жители используют её для отопления и естественных нужд.
Новая Зеландия, получает 10% своей электроэнергии дополнительно. находится в недостаточном развитии, несмотря на наличие термальных вод.
По мере развития и становления общества человечество стало искать все более современные и при этом экономичные способы получения энергии. Для этого сегодня возводятся различные станции, но в то же время широко используется энергия, содержащаяся в недрах земли. Какой она бывает? Попробуем разобраться.
Геотермальная энергия
Уже из названия понятно, что она представляет собой тепло земных недр. Под земной корой располагается слой магмы, являющийся огненно-жидким силикатным расплавом. Согласно данным исследований, энергетический потенциал этого тепла намного выше энергии мировых запасов природного газа, а также нефти. На поверхность выходит магма — лава. Причем наибольшая активность наблюдается в тех слоях земли, на которых находятся границы тектонических плит, а также там, где земная кора характеризуется тонкостью. Геотермальная энергия земли получается следующим образом: лава и водные ресурсы планеты соприкасаются, в результате чего вода начинает резко нагреваться. Это приводит к извержению гейзера, формированию так называемых горячих озер и подводных течений. То есть именно тем явлениям природы, свойства которых активно используются как энергии.
Искусственные геотермальные источники
Энергия, содержащаяся в недрах земли, должна использоваться грамотно. Например, есть идея создания подземных котлов. Для этого нужно пробурить две скважины достаточной глубины, которые будут соединяться внизу. То есть получается, что практически в любом уголке суши можно получать геотермальную энергию промышленным способом: через одну скважину будет закачиваться холодная вода в пласт, а через вторую - извлекаться горячая вода или пар. Искусственные источники тепла будут выгодны и рациональны, если получаемое тепло будет давать больше энергии. Пар можно направлять в турбогенераторы, в которых будет вырабатываться электричество.
Конечно, отобранное тепло - это всего лишь доля того, что имеется в общих запасах. Но следует помнить, что глубинный жар будет постоянно пополняться вследствие процессов сжатия горных пород, расслоения недр. Как говорят специалисты, земная кора аккумулирует тепло, общее количество которого в 5000 раз больше теплотворной способности всех ископаемых недр земли в целом. Получается, что время работы подобных искусственно созданных геотермальных станций может быть неограниченным.
Особенности источников
Источники, позволяющие получить геотермальную энергию, практически невозможно использовать полностью. Существуют они в 60 с лишним странах мира, при этом больше всего наземных вулканов на территории Тихоокеанского вулканического огненного кольца. Но на практике оказывается, что геотермальные источники в разных регионах мира совершенно разные по своим свойствам, а именно средней температуре, минерализации, газовому составу, кислотности и так далее.
Гейзеры - источники энергии на Земле, особенности которых в том, что они с определенными промежутками извергают кипящую воду. После того как произошло извержение, бассейн становится свободным от воды, на его дне можно заметить канал, который уходит глубоко в землю. Гейзеры как источники энергии используются в таких регионах, как Камчатка, Исландия, Новая Зеландия и Северная Америка, а одиночные гейзеры встречаются и в некоторых других областях.
Откуда берется энергия?
Совсем близко к земной поверхности располагается неостывшая магма. Из нее выделяются газы и пары, которые поднимают и проходят по трещинам. Смешиваясь с подземными водами, они вызывают их нагревание, сами превращаются в горячую воду, в которой растворены многие вещества. Такая вода выделяется на поверхность земли в виде разных геотермальных источников: горячих ключей, минеральных источников, гейзеров и так далее. По мнению ученых, горячие недра земли - это пещеры или камеры, соединенные проходами, трещинами и каналами. Они как раз заполняются подземными водами, а совсем недалеко от них располагаются очаги магмы. Таким естественным образом и образуется тепловая энергия земли.
Электрическое поле Земли
Есть в природе еще один альтернативный источник энергии, который отличается возобновляемостью, экологической чистотой, простотой в использовании. Правда, до сих пор этот источник только изучается и не применяется на практике. Так, потенциальная энергия Земли кроется в ее электрическом поле. Получить энергию таким способом можно на основании изучения базовых законов электростатики и особенностей электрического поля Земли. По сути, наша планета с точки зрения электрической - это сферический конденсатор, заряженный до 300 000 Вольт. Его внутренняя сфера имеет отрицательный заряд, а внешняя - ионосфера - положительный. является изолятором. Через нее происходит постоянное течение ионных и конвективных токов, которые достигают силы во много тысяч ампер. Однако разница потенциалов между обкладками при этом не уменьшается.
Это говорит о том, что в природе есть генератор, роль которого состоит в постоянном восполнении утечки зарядов с обкладок конденсатора. В роли такого генератора и выступает магнитное поле Земли, вращающееся вместе с нашей планетой в потоке солнечного ветра. ЭнергиямагнитногополяЗемлиможет быть получена как раз путем подключения к этому генератору потребителя энергии. Чтобы сделать это, нужно выполнить монтаж надежного заземления.
Возобновляемые источники
Поскольку численность населения нашей планеты неуклонно растет, нам требуется все больше энергии, чтобы обеспечить население. Энергия, содержащаяся в недрах земли, может быть самой разной. Например, существуют возобновляемые источники: энергия ветра, солнца и воды. Они отличаются экологической чистотой, а потому использовать их можно, не боясь причинить вред окружающей среде.
Энергия воды
Этот способ используется уже на протяжении многих веков. Сегодня построено огромное количество плотин, водохранилищ, в которых вода используется для того, чтобы вырабатывалась электрическая энергия. Суть действия этого механизма проста: под влиянием течения реки вращаются колеса турбин, соответственно, энергия воды превращается в электрическую.
Сегодня существует большое количество гидроэлектростанций, которые преобразуют энергию потока воды в электроэнергию. Особенность этого способа в том, что возобновляются, соответственно, такие конструкции имеют низкую себестоимость. Именно поэтому, несмотря на то что строительство ГЭС ведется довольно долго, да и сам процесс весьма затратный, все же эти сооружения значительно выигрывают у электроемких производств.
Энергия солнца: современно и перспективно
Солнечная энергия получается с помощью солнечных батарей, однако современные технологии позволяют использовать для этого новые методы. Крупнейшей в мире является система, построенная в пустыне Калифорнии. Она полностью обеспечивает энергией 2000 домов. Конструкция работает следующим образом: от зеркал отражаются солнечные лучи, которые направляются в центральный бойлер с водой. Она закипает и превращается в пар, вращающий турбину. Она, в свою очередь, связана с электрическим генератором. Ветер тоже может использоваться как энергия, которую дает нам Земля. Ветер надувает паруса, вращает мельницы. А теперь с его помощью можно создавать устройства, которые будут вырабатывать электрическую энергию. Вращая лопасти ветряка, он приводит в действие вал турбины, который, в свою очередь, связан с электрогенератором.
Внутренняя энергия Земли
Она появилась вследствие нескольких процессов, главные из которых - аккреция и радиоактивность. По мнению ученых, становление Земли и ее массы произошло за несколько миллионов лет, причем произошло это вследствие образования планетезималей. Они слипались, соответственно, масса Земли становилась все больше. После того как наша планета стала иметь современную массу, но еще была лишена атмосферы, на нее беспрепятственно падали метеорные и астероидные тела. Этот процесс как раз и называется аккрецией, и приводил он к тому, что выделялась значительная гравитационная энергия. И чем большие по размеру тела попадали на планету, тем в большем объеме выделялась энергия, содержащаяся в недрах Земли.
Эта гравитационная дифференциация привела к тому, что вещества стали расслаиваться: тяжелые вещества просто тонули, а легкие и летучие всплывали. Дифференциация сказывалась также и на дополнительном выделении гравитационной энергии.
Атомная энергия
Использование энергии земли может происходить по-разному. Например, с помощью возведения атомных электростанций, когда тепловая энергия выделяется за счет распада мельчайших частиц материи атомов. В качестве основного топлива служит уран, который содержится в земной коре. Многие считают, что именно этот способ получения энергии наиболее перспективен, однако его применение сопряжено с рядом проблем. Во-первых, уран излучает радиацию, которая убивает все живые организмы. К тому же если это вещество попадет в почву или атмосферу, то возникнет настоящая техногенная катастрофа. Печальные последствия аварии на Чернобыльской АЭС мы испытываем на себе по сегодняшний день. Опасность таится в том, что радиоактивные отходы могут угрожать всему живому очень и очень долгое время, целые тысячелетия.
Новое время - новые идеи
Конечно, люди не останавливаются на достигнутом, и с каждым годом предпринимается все больше попыток найти новые способы получения энергии. Если энергия тепла земли получается достаточно просто, то некоторые способы не так просты. Например, в качестве источника энергии вполне можно использовать биологический газ, который получается при гниении отходов. Его можно применить для отапливания домов и нагревания воды.
Все чаще возводятся когда поперек устьев водоемов устанавливаются плотины и турбины, которые приводятся в действие приливами и отливами, соответственно, получается электроэнергия.
Сжигая мусор, получаем энергию
Еще один способ, который уже применяется в Японии, - это создание мусоросжигательных заводов. Они сегодня построены в Англии, Италии, Дании, Германии, Франции, Нидерландах и США, однако только в Японии эти предприятия стали использоваться не только по назначению, но и для получения электричества. На местных заводах сжигается 2/3 всего мусора, при этом заводы оснащены паровыми турбинами. Соответственно, они снабжают теплом и электричеством близлежащие территории. При этом по затратам построить такое предприятие гораздо выгоднее, чем возвести ТЭЦ.
Более заманчивой выглядит перспектива использования тепла Земли там, где сосредоточены вулканы. В таком случае не понадобится бурить Землю слишком глубоко, поскольку уже на глубине 300-500 метров температура будет выше точки кипения воды минимум в два раза.
Существует и такой способ получения электроэнергии, как Водород - самый простой и легкий химический элемент - может считаться идеальным топливом, ведь он есть там, где есть вода. Если сжигать водород, можно получать воду, которая разлагается на кислород и водород. Само водородное пламя безвредное, то есть вреда окружающей среде наноситься не будет. Особенность этого элемента в том, что у него высокая теплотворная способность.
Что в будущем?
Конечно, энергия магнитного поля Земли или та, которую получают на атомных станциях, не может удовлетворить полностью все потребности человечества, которые растут с каждым годом. Однако специалисты говорят о том, что поводов для переживаний нет, поскольку топливных ресурсов планеты пока хватает. Тем более что используется все больше новых источников, экологически чистых и возобновляемых.
Остается проблема загрязнения окружающей среды, причем растет она катастрофически быстро. Количество вредных выбросов зашкаливает, соответственно, воздух, которым мы дышим, вреден, вода имеет опасные примеси, а почва постепенно истощается. Именно поэтому так важно своевременно заняться изучением такого явления, как энергия в недрах Земли, чтобы искать способы сокращения потребностей в органическом топливе и активнее использовать нетрадиционные источники энергии.
Д.т.н. Н.А. Гнатусь, профессор,
академик Российской академии технологических наук, г. Москва
В последние десятилетия в мире рассматривается направление более эффективного использования энергии глубинного тепла Земли с целью частичной замены природного газа, нефти, угля. Это станет возможным не только в районах с высокими геотермальными параметрами, но и в любых районах земного шара при бурении нагнетательных и эксплуатационных скважин и создания между ними циркуляционных систем.
Возросший в последние десятилетия в мире интерес к альтернативным источникам энергии вызван истощением запасов углеводородного топлива и необходимостью решения ряда экологических проблем. Объективные факторы (резервы ископаемого топлива и урана, а также изменение среды, вызванные традиционной огневой и атомной энергетикой) позволяют утверждать, что переход к новым способам и формам получения энергии является неизбежным.
Мировая экономика в настоящее время взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и новых источников энергии. Тепло Земли занимает среди них одно из первых мест.
Ресурсы геотермальной энергии разделяются на гидрогеологические и петрогеотермальные. Первые из них представлены теплоносителями (составляют всего 1% от общих ресурсов геотермальной энергии) - подземными водами, паром и пароводяными смесями. Вторые представляют собой геотермальную энергию, содержащуюся в раскаленных горных породах.
Применяемая в нашей стране и за рубежом фонтанная технология (самоизлив) добычи природного пара и геотермальных вод проста, но неэффективна. При малом дебите самоизливающихся скважин их теплопродукция может окупить затраты на бурение лишь при небольшой глубине геотермальных коллекторов с высокой температурой в районах термоаномалий. Срок службы таких скважин во многих странах не достигает и 10 лет.
В то же время опыт подтверждает, что при наличии неглубоких коллекторов природного пара строительство ГеоТЭС представляет собой наиболее выгодный вариант использования геотермальной энергии. Эксплуатация таких ГеоТЭС показала их конкурентоспособность по сравнению с другими типами энергоустановок. Поэтому, использование запасов геотермальных вод и парогидротерм в нашей стране на полуострове Камчатка и на островах Курильской гряды, в регионах Северного Кавказа, а также возможно и в других районах целесообразно и своевременно. Но месторождения пара - редкость, его известные и прогнозные запасы невелики. Гораздо более распространенные месторождения теплоэнергетических вод далеко не всегда расположены достаточно близко от потребителя -объекта теплоснабжения. Это исключает возможность крупных масштабов их эффективного использования.
Нередко в сложную проблему перерастают вопросы борьбы с солеотложением. Использование геотермальных, как правило, минерализованных источников в качестве теплоносителя приводит к зарастанию скважинных зон оксидом железа, карбонатом кальция и силикатными образованиями. Кроме того, проблемы эрозии-коррозии и солеотложений отрицательно отражаются на работе оборудования. Проблемой, также, становится сброс минерализованных и содержащих токсичные примеси отработанных вод. Поэтому, простейшая фонтанная технология не может служить основой широкого освоения геотермальных ресурсов.
По предварительным оценкам на территории Российской Федерации прогнозные запасы термальных вод с температурой 40-250 ОС, минерализацией 35-200 г/л и глубиной залегания до 3000 м составляют 21-22 млн м3/сут., что эквивалентно сжиганию 30-40 млн т у.т. в год.
Прогнозные запасы паровоздушной смеси с температурой 150-250 ОС полуострова Камчатка и Курильских островов составляет 500 тыс. м3/сут. и запасы термальных вод с температурой 40-100 ОС - 150 тыс. м3/сут.
Первоочередными для освоения считаются запасы термальных вод с дебитом около 8 млн м3/сут., с минерализацией до 10 г/л и температурой выше 50 ОС.
Гораздо большее значение для энергетики будущего имеет извлечение тепловой энергии, практически неисчерпаемых, петрогеотермальных ресурсов. Эта геотермальная энергия, заключенная в твердых горячих породах, и составляет 99% от общих ресурсов подземной тепловой энергии. На глубине до 4-6 км массивы с температурой 300-400 ОС можно встретить лишь вблизи промежуточных очагов некоторых вулканов, но горячие породы с температурой 100-150 ОС распространены на этих глубинах почти повсеместно, а с температурой 180-200 ОС на довольно значительной части территории России.
На протяжении миллиардов лет ядерные, гравитационные и другие процессы внутри Земли генерировали и генерируют тепловую энергию. Некоторая ее доля излучается в космическое пространство, а теплота аккумулируется в недрах, т.е. теплосодержание твердой, жидкой и газообразной фаз земного вещества и называется геотермальной энергией.
Непрерывная генерация внутриземного тепла компенсирует его внешние потери, служит источником накопления геотермальной энергии и определяет возобновляемую часть ее ресурсов. Общий вынос тепла недр к земной поверхности втрое превышает современную мощность энергоустановок мира и оценивается в 30 ТВт.
Однако очевидно, что возобновляемость имеет значение лишь для ограниченных природных ресурсов, а общий потенциал геотермальной энергии является практически неисчерпаемым, поскольку его следует определять как общее количество теплоты, которым располагает Земля.
Не случайно, в последние десятилетия, в мире рассматривается направление более эффективного использования энергии глубинного тепла Земли с целью частичной замены природного газа, нефти, угля. Это станет возможным не только в районах с высокими геотермальными параметрами, но и в любых районах земного шара при бурении нагнетательных и эксплуатационных скважин и создания между ними циркуляционных систем.
Разумеется, при низкой теплопроводности пород для эффективной работы циркуляционных систем необходимо иметь или создать в зоне отбора тепла достаточно развитую теплообменную поверхность. Такой поверхностью обладают нередко встречающиеся на указанных выше глубинах пористые пласты и зоны естественной трещиностойкости, проницаемость которых позволяет организовать принудительную фильтрацию теплоносителя с эффективным извлечением энергии горных пород, а также искусственного создания обширной теплообменной поверхности в слабопроницаемых пористых массивах методом гидроразрыва (см. рисунок).
В настоящее время гидроразрыв применяется в нефтегазовой промышленности как способ повышения проницаемости пластов для повышения нефтеотдачи при разработке нефтяных месторождений. Современная технология позволяет создавать узкую, но длинную трещину, или короткую но широкую. Известны примеры гидроразрывов с трещинами протяженностью до 2-3 км.
Отечественная идея извлечения основных геотермальных ресурсов, заключенных в твердых породах, была высказана еще в 1914 г. К.Э.Циолковским, а в 1920 г. геотермальная циркуляционная система (ГЦС) в горячем гранитном массиве описана В.А. Обручевым.
В 1963 г. в Париже была создана первая ГЦС извлечения тепла пород пористых пластов для отопления и кондиционирования воздуха в помещениях комплекса «Бродкастин Хаос». В 1985 г. во Франции работало уже 64 ГЦС общей тепловой мощностью 450 МВт при годовой экономии примерно 150 тыс. т нефти. В том же году первая подобная ГЦС была создана в СССР в Ханкальской долине около г. Грозного.
В 1977 г. по проекту Лос-Аламосской национальной лаборатории США начались испытания опытной ГЦС с гидроразрывом практически непроницаемого массива на участке Фен-тон Хилл в штате Нью-Мехико. Нагнетаемая через скважину (нагнетательная) холодная пресная вода нагревалась за счет теплообмена с массивом горных пород (185 ОС) в вертикальной трещине площадью 8000 м2, образованной гидроразвывом на глубине 2,7 км. По другой скважине (эксплуатационная), также пересекающей эту трещину, перегретая вода выходила на поверхность в виде струи пара. При циркуляции в замкнутом контуре под давлением температура перегретой воды на поверхности достигала 160-180 ОС, а тепловая мощность системы - 4-5 МВт. Утечки теплоносителя в окружающий массив составляли около 1% общего расхода. Концентрация механических и химических примесей (до 0,2 г/л) соответствовала кондициям пресной питьевой воды. Трещина гидроразрыва не требовала крепления и поддерживалась в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости. Развивающаяся в ней свободная конвекция обеспечивала эффективное участие в теплообмене практически всей поверхности обнажения горячего породного массива.
Извлечение подземной тепловой энергии горячих непроницаемых пород, на основе освоенных и давно практикуемых в нефтегазовой промышленности методов наклонного бурения и гидроразрыва не вызывали сейсмической активности, ни каких-либо иных вредных воздействий на окружающую среду.
В 1983 г. английские ученые повторили американский опыт, создав экспериментальную ГЦС с гидроразрывом гранитов в Карнуэлле. Аналогичные работы проводились в Германии, Швеции. В США осуществлено более 224 проектов геотермального теплоснабжения. При этом допускается, что геотермальные ресурсы могут обеспечить основную часть перспективных потребностей США в тепловой энергии для неэлектрических нужд. В Японии мощность ГеоТЭС в 2000 г. достигла ориентировочно 50 ГВт.
В настоящее время исследования и разведка геотермальных ресурсов ведется в 65 странах. В мире на основе геотермальной энергии создано станций общей мощностью около 10 ГВт. Активную поддержку в освоении геотермальной энергии оказывает ООН.
Накопленный во многих странах мира опыт использования геотермальных теплоносителей показывает, что в благоприятных условиях они оказываются в 2-5 раз выгоднее тепловых и атомных энергоустановок. Расчеты показывают, что за год одна геотермальная скважина может обеспечить замещение 158 тыс. т угля.
Таким образом, тепло Земли представляет собой, пожалуй, единственный крупный, восполняемый энергоресурс, рациональное освоение которого обещает удешевление энергии по сравнению с современной топливной энергетикой. При столь же неисчерпаемом энергетическом потенциале солнечные и термоядерные установки, к сожалению, будут дороже существующих топливных.
Несмотря на весьма длительную историю освоения тепла Земли сегодня геотермальная технология еще не достигла своего высокого развития. Освоение тепловой энергии Земли испытывает большие трудности при строительстве глубоких скважин, являющихся каналом для вывода теплоносителя на поверхность. В связи с высокой температурой на забое (200-250 ОС) традиционные породоразрушающие инструменты малопригодны для работы в таких условиях, предъявляются особые требования к выбору бурильных и обсадных труб, цементных растворов, технологии бурения, креплению и заканчиванию скважин. Отечественная измерительная техника, серийная эксплуатационная арматура и оборудование выпускаются в исполнении, допускающем температуры не выше 150-200 ОС. Традиционное глубокое механическое бурение скважин подчас затягивается на годы и требует значительных финансовых затрат. В основных производственных фондах стоимость скважин составляет от 70 до 90%. Решить эту проблему можно и нужно лишь путем создания прогрессивной технологии разработки основной части геотермальных ресурсов, т.е. извлечения энергии горячих пород.
Проблемой извлечения и использования неисчерпаемой, восполняемой глубинной тепловой энергии горячих пород Земли на территории Российской Федерации наша группа российских ученых и специалистов занимается не один год. Цель работы - создание на основе отечественных, высоких технологий технических средств для глубокого проникновения в недра земной коры. В настоящее время разработано несколько вариантов буровых снарядов (БС), аналогов которым в мировой практике нет.
Работа первого варианта БС увязана с действующей традиционной технологией бурения скважин. Скорость бурения твердых пород (средняя плотность 2500-3300 кг/м3) до 30 м/ч, диаметр скважины 200-500 мм. Второй вариант БС осуществляет бурение скважин в автономном и автоматическом режиме. Запуск осуществляется со специальной пуско-приемочной платформы, с которой и ведется управление его движением. Одну тысячу метров БС в твердых породах сможет пройти в течение нескольких часов. Диаметр скважины от 500 до 1000 мм. Варианты БС многоразового использования обладают большой экономической эффективностью и огромным потенциальным значением. Внедрение БС в производство позволит открыть новый этап в строительстве скважин и обеспечить доступ к получению неисчерпаемых источников тепловой энергии Земли.
Для нужд теплоснабжения необходимая глубина скважин на всей территории страны лежит в пределах до 3-4,5 тыс. м и не превышает 5-6 тыс. м. Температура теплоносителя для жилищно-коммунального теплоснабжения не выходит за пределы 150 ОС. Для промышленных объектов температура, как правило, не превышает 180-200 ОС.
Цель создания ГЦС - обеспечение постоянным, доступным, дешевым теплом отдаленных, труднодоступных и не освоенных районов РФ. Продолжительность эксплуатации ГЦС - 25-30 лет и более. Срок окупаемости станций (с учетом новейших технологий бурения) - 3-4 года.
Создание в Российской Федерации в ближайшие годы соответствующих мощностей по использованию геотермальной энергии для неэлектрических нужд позволит заменить около 600 млн т у.т. Экономия может составить до 2 трлн руб.
В срок до 2030 г. появляется возможность создания энергетических мощностей по замене огневой энергетики до 30%, а до 2040 г. почти полностью исключить органическое сырье в качестве топлива из энергетического баланса Российской Федерации.
Литература
1. Гончаров С.А. Термодинамика. М.: МГТУим. Н.Э. Баумана, 2002. 440 с.
2. Дядькин Ю.Д. и др. Геотермальная теплофизика. С-Пб.: Наука, 1993. 255 с.
3. Минерально-сырьевая база топливно-энергетического комплекса России. Состояние и прогноз / В. К. Бранчугов, Е.А. Гаврилов, В.С. Литвиненко и др. Под ред. В.З. Гарипова, Е.А. Козловского. М. 2004. 548 с.
4. Новиков Г. П. и др. Бурение скважин на термальные воды. М.: Недра, 1986. 229 с.
Основными источниками тепловой энергии Земли являются [ , ]:
К настоящему времени количественно оценены лишь первые четыре источника. В нашей стране основная заслуга в этом принадлежит
О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову
. Нижеприводимые данные в основном базируются на расчётах этих учёных.
Тепло гравитационной дифференциации Земли
Одной из важнейших закономерностей развития Земли является
дифференциация её вещества, которая продолжается и в настоящее время. За счёт этой дифференциации произошло формирование
ядра и земной коры
, изменение состава первичной мантии
,
при этом разделение первоначально однородного вещества на фракции различной плотности сопровождается выделением тепловой энергии
,
а максимальное тепловыделение происходит при разделении земного вещества на плотное и тяжёлое ядро
и остаточную более лёгкую
силикатную оболочку - земную мантию
.
В настоящее время основная часть этого тепла выделяется на границе мантия - ядро
.
Энергии гравитационной дифференциации Земли за всё время её существования выделилось - 1,46*10 38 эрг (1,46*10 31 Дж) . Данная энергия в большей своей части сначала переходит в кинетическую энергию конвективных течений мантийного вещества, а затем в тепло ; другая её часть расходуется на дополнительное сжатие земных недр , возникающее благодаря концентрации плотных фаз в центральной части Земли. Из 1,46*10 38 эрг энергии гравитационной дифференциации Земли на её дополнительное сжатие пошло 0,23*10 38 эрг (0,23*10 31 Дж ), а в форме тепла выделилось 1,23*10 38 эрг (1,23*10 31 Дж ). Величина этой тепловой составляющей существенно превышает суммарное выделение в Земле всех остальных видов энергии. Распределение во времени общей величины и скорости выделения тепловой компоненты гравитационной энергии отражено на Рис. 3.6 .
Рис. 3.6.
Современный уровень генерации тепла при гравитационной дифференциации Земли -
3*10 20 эрг/с
(3*10 13 Вт
),
что от величины современного теплового потока, проходящего через поверхность планеты в (4,2-4,3)*10 20 эрг/с
((4,2-4,3)*10 13 Вт
),
составляет ~ 70%
.
Радиогенное тепло
Обусловливается радиоактивным распадом нестабильных изотопов . Наиболее энергоёмкими и долгоживущими (с периодом полураспада , соизмеримым с возрастом Земли) являются изотопы 238 U , 235 U , 232 Th и 40 K . Основной их объём сосредоточен в континентальной коре . Современный уровень генерации радиогенного тепла :
- по американскому геофизику В.Вакье - 1,14*10 20 эрг/с (1,14*10 13 Вт ) ,
- по российским геофизикам О.Г. Сорохтину и С.А. Ушакову - 1,26*10 20 эрг/с (1,26*10 13 Вт ) .
От величины современного теплового потока это составляет ~ 27-30 %.
Из общей величины тепла радиоактивного распада в 1,26*10 20 эрг/с
(1,26*10 13 Вт
)
в земной коре выделяется - 0,91*10 20 эрг/с
,
а в мантии - 0,35*10 20 эрг/с
.
Отсюда следует, что доля мантийного радиогенного тепла не превышает 10 % от суммарных современных теплопотерь Земли, и она не может являться основным источником энергии активных тектоно-магматических процессов, глубина зарождения которых может достигать 2900 км; а радиогенное тепло, выделяющееся в коре, относительно быстро теряется через земную поверхность и практически не участвует в разогреве глубинных недр планеты.
В прошлые геологические эпохи величина радиогенного тепла, выделяемого в мантии, должна была быть более высокой. Её оценки на момент образования Земли (4,6 млрд. лет назад ) дают - 6,95*10 20 эрг/с . С этого времени происходит неуклонное снижение скорости выделения радиогенной энергии (Рис. 3.7 ).
За всё время в Земле выделилось ~4,27*10 37 эрг
(4,27*10 30 Дж
)
тепловой энергии радиоактивного распада, что почти в три раза ниже общей величины тепла гравитационной дифференциации.
Тепло приливного трения
Выделяется при гравитационном взаимодействии Земли в первую очередь с Луной, как ближайшим крупным космическим телом. Благодаря взаимному гравитационному притяжению в их телах возникают приливные деформации - вздутия или горбы . Приливные горбы планет своим дополнительным притяжением оказывают влияние на их движение. Так, притяжение обоих приливных горбов Земли создаёт пару сил, действующих как на саму Землю, так и на Луну. Однако влияние ближнего, обращённого к Луне вздутия несколько сильнее, чем дальнего. В связи с тем, что угловая скорость вращения современной Земли (7,27*10 -5 с -1 ) превышает орбитальную скорость движения Луны (2,66*10 -6 с -1 ), а вещество планет не является идеально упругим, то приливные горбы Земли как бы увлекаются её вращением вперед и заметно опережают движение Луны. Это приводит к тому, что максимальные приливы Земли всегда наступают на её поверхности несколько позже момента кульминации Луны, а на Землю и Луну действует дополнительный момент сил (Рис. 3.8 ) .
Абсолютные значения сил приливного взаимодействия в системе Земля-Луна сейчас относительно невелики и обусловливаемые ими приливные деформации литосферы могут достигать лишь нескольких десятков сантиметров, но они приводят к постепенному торможению вращения Земли и, наоборот, к ускорению орбитального движения Луны и к её удалению от Земли. Кинетическая энергия движения земных приливных горбов переходит в тепловую энергию, вследствие внутреннего трения вещества в приливных горбах.
В настоящее время скорость выделения приливной энергии по Г. Макдональду
составляет ~0,25*10 20 эрг/с
(0,25*10 13 Вт
),
при этом основная её часть (около 2/3) предположительно диссипирует
(рассеивается) в гидросфере. Следовательно, доля приливной энергии, вызванной взаимодействием Земли с Луной и рассеиваемой в твёрдой Земле (в первую очередь в астеносфере), не превышает 2 %
полной тепловой энергии, генерируемой в её недрах; а доля солнечных приливов не превышает 20 %
от воздействия лунных приливов. Поэтому твёрдые приливы не играют теперь практически никакой роли в питании тектонических процессов энергией, но в отдельных случаях могут выступать в качестве "спусковых механизмов", например землетрясений
.
Величина приливной энергии прямо связана с расстоянием между космическими объектами. И если для расстояния между Землёй и Солнцем не предполагается каких-либо существенных изменений в геологическом масштабе времени, то в системе Земля-Луна этот параметр является переменной величиной. Вне зависимости от представлений об практически все исследователи признают, что на ранних стадиях развития Земли расстояние до Луны было существенно меньше современного, в процессе же планетного развития, по мнению большинства учёных, оно постепенно увеличивается, а по Ю.Н. Авсюку это расстояние испытывает долгопериодические изменения в виде циклов "прихода - ухода" Луны . Отсюда исходит, что в прошлые геологические эпохи роль приливного тепла в общем тепловом балансе Земли была более значительной. В целом, за всё время развития Земли в ней выделилось ~3,3*10 37 эрг (3,3*10 30 Дж ) энергии приливного тепла (это при условии последовательного удаления Луны от Земли). Изменение же во времени скорости выделения этого тепла представлено на Рис. 3.10 .
Более половины общей величины приливной энергии выделилось в катархее
(гадее
)) - 4,6-4,0 млрд. лет назад, и в это время только за счёт этой энергии Земля дополнительно могла прогреться на ~500 0 С.
Начиная с позднего архея лунные приливы вносили лишь ничтожно малое влияние в развитие энергоёмких эндогенных процессов
.
Аккреционное тепло
Это тепло, сохранённое Землёй с момента её формирования. В процессе аккреции
,
которая продолжалась в течение нескольких десятков миллионов лет, благодаря соударению планетезималей
Земля испытала существенный разогрев. При этом по поводу величины этого разогрева нет единого мнения. В настоящее время исследователи склоняются к тому, что в процессе аккреции Земля испытала если не полное, то значительное частичное плавление, что привело к начальной дифференциации ПротоЗемли на тяжёлое железное ядро и лёгкую силикатную мантию, и к формированию "магматического океана"
на её поверхности или на небольшой глубине. Хотя ещё до 1990-х годов практически общепризнанной считалась модель относительно холодной первичной Земли, которая постепенно разогревалась за счёт вышерассмотренных процессов, сопровождавшихся выделением значительного количества тепловой энергии.
Точная оценка первичного аккреционного тепла и её сохранившейся до настоящего времени доли связана со значительными трудностями
.
По О.Г. Сорохтину
и С.А. Ушакову
,
являющихся сторонниками относительно холодной первичной Земли, величина энергии аккреции, перешедшей в тепло, составляет - 20,13*10 38 эрг
(20,13*10 31 Дж)
.
Этой энергии при отсутствии теплопотерь хватило бы для полного испарения
земного вещества, т.к. температура могла бы подняться до 30 000 0 С
.
Но процесс аккреции был относительно длительным, а энергия ударов планетезималей выделялась лишь в приповерхностных слоях растущей Земли и быстро терялась с тепловым излучением, поэтому первичный разогрев планеты не был большим. Величину этого теплового излучения, идущего параллельно с формированием (аккрецией) Земли, указанные авторы оценивают в
19,4*10 38 эрг
(19,4*10 31 Дж
)
.
В современном энергетическом балансе Земли аккреционное тепло, вероятнее всего, играет незначительную роль.
Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится: нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.
Маленькая европейская страна Исландия («страна льда» в дословном переводе) полностью обеспечивает себя помидорами, яблоками и даже бананами! Многочисленные исландские теплицы получают энергию от тепла земли, других местных источников энергии в Исландии практически нет. Зато очень богата эта страна горячими источниками и знаменитыми гейзерами - фонтанами горячей воды, с точностью хронометра вырывающейся из-под земли. И хотя не исландцам принадлежит приоритет в использовании тепла подземных источников (еще древние римляне к знаменитым баням - термам Каракаллы - подвели воду из-под земли), жители этой маленькой северной страны эксплуатируют подземную котельную очень интенсивно . Столица город Рейкьявик, в которой проживает половина населения страны, отапливается только за счет подземных источников. Рейкьявик - это идеальная отправная точка для знакомства с Исландией: отсюда Вы можете отправиться на самые интересные и разнообразные экскурсии в любой уголок этой уникальной страны: гейзеры, вулканы, водопады, риолитовые горы, фьорды… Везде в Рейкьявике Вы ощутите ЧИСТУЮ ЭНЕРГИЮ - термальную энергию гейзеров, бьющих из-под земли, энергию чистоты и пространства идеально зеленого города, энергию веселой и зажигательной ночной жизни Рейкьявика круглый год.
Но не только для отопления черпают люди энергию из глубин земли. Уже давно работают электростанции, использующие горячие подземные источники. Первая такая электростанция, совсем еще маломощная, была построена в 1904 году в небольшом итальянском городке Лардерелло, названном так в честь французского инженера Лардерелли, который еще в 1827 году составил проект использования многочисленных в этом районе горячих источников. Постепенно мощность электростанции росла, в строй вступали все новые агрегаты, использовались новые источники горячей воды, и в наши дни мощность станции достигла уже внушительной величины - 360 тысяч киловатт. В Новой Зеландии существует такая электростанция в районе Вайракеи, ее мощность 160 тысяч киловатт. В 120 км от Сан-Франциско в США производит электроэнергию геотермальная станция мощностью 500 тысяч киловатт.
Геотермальная энергия
Издавна люди знают о стихийных проявлениях гигантской энергии, таящейся в недрах земного шара. Память человечества хранит предания о катастрофических извержениях вулканов, унесших миллионы человеческих жизней, неузнаваемо изменивших облик многих мест на Земле. Мощность извержения даже сравнительно небольшого вулкана колоссальна, она многократно превышает мощность самых крупных энергетических установок, созданных руками человека. Правда, о непосредственном использовании энергии вулканических извержений говорить не приходится – нет пока у людей возможностей обуздать эту непокорную стихию, да и, к счастью, извержения эти достаточно редкие события. Но это - проявления энергии, таящейся в земных недрах, когда лишь крохотная доля этой неисчерпаемой энергии находит выход через огнедышащие жерла вулканов.
Гейзер – это горячий источник, который извергает свою воду на регулярную или нерегулярную высоту, как фонтан. Название происходит от исландского слова «льется». Появление гейзеров требует определенной благоприятной обстановки, которая создана только в нескольких местах на земле, что обуславливает их достаточно редкое наличие. Практически 50% гейзеров находятся в Национальном парке Йеллоустоуна (США). Деятельность гейзера может прекратиться из-за изменений в недрах, землетрясений и др. факторов. Действие гейзера вызывается соприкосновением воды с магмой, после чего вода быстро нагревается и под действием геотермальной энергии с силой выбрасывается вверх. После извержения, вода в гейзере постепенно охлаждается, вновь просачивается к магме, и вновь фонтанирует. Частота извержений различных гейзеров отличается от нескольких минут до нескольких часов. Необходимость наличия большой энергии для действия гейзера – главная причина их редкости. Вулканические области могут иметь горячие источники, грязевые вулканы, фумаролы, но есть очень немного мест, где находятся гейзеры. Дело в том, что даже если гейзер образовался в месте активности вулкана, последующие извержения разрушат поверхность земли и изменят ее состояние, что приведет к исчезновению гейзера.
Энергетика земли (геотермальная энергетика) базируется на использовании природной теплоты Земли. Недра Земли таят в себе колоссальный, практически неисчерпаемый источник энергии. Ежегодное излучение внутреннего тепла на нашей планете составляет 2,8 * 1014 млрд. кВт * час. Оно постоянно компенсируется радиоактивным распадом некоторых изотопов в земной коре.
Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), или пара (паротермальные источники), или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию «подземные котлы», откуда воду или пар можно добыть с помощью обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.
Но в обоих вариантах использования главный недостаток заключается, пожалуй, в очень слабой концентрации геотермальной энергии. Впрочем, в местах образования своеобразных геотермических аномалий, где горячие источники или породы подходят сравнительно близко к поверхности и где при погружении вглубь на каждые 100 м температура повышается на 30-40°С, концентрации геотермальной энергии могут создавать условия и для хозяйственного её использования. В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяются на низкои среднетемпературные (с температурой до 130 – 150° С) и высокотемпературные (свыше 150°). От температуры во многом зависит характер их использования.
Можно утверждать, что геотермальная энергия имеет четыре выгодных отличительных черты.
Во-первых, её запасы практически неисчерпаемы. По оценкам конца 70-х годов до глубины 10 км они составляют такую величину, которая в 3,5 тысячи раз превышает запасы традиционных видов минерального топлива.
Во-вторых, геотермальная энергия довольно широко распространена. Концентрация её связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли. В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные районы», примерами которых могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, Исландия, Камчатка, Северный Кавказ в России. Только в бывшем СССР к началу 90-х годов было открыто около 50 подземных бассейнов горячей воды и пара.
В-третьих, использование геотермальной энергии не требует больших издержек, т.к. в данном случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.
Наконец, в-четвертых, геотермальная энергия в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.
Человек издавна использует энергию внутреннего тепла Земли (вспомним хотя бы знаменитые Римские бани), но её коммерческое использование началось только в 20-х годах нашего века со строительством первых геоЭС в Италии, а затем и в других странах. К началу 80-х годов в мире действовало около 20 таких станций общей мощностью 1,5 млн. кВт. Самая крупная из них – станция Гейзерс в США (500 тыс. кВт).
Геотермальную энергию используют для выработки электроэнергии, обогрева жилья, теплиц и т.п. В качестве теплоносителя используют сухой пар, перегретую воду или какой-либо теплоноситель с низкой температурой кипения (аммиак, фреон и т.п.).
