Геотермальная энергия и способы её добычи. Форварды геотермальной энергетики

Д ля России энергия тепла Земли может стать постоянным, надежным источником обеспечения дешевыми и доступными электроэнергией и теплом при использовании новых высоких, экологически чистых технологий по ее извлечению и поставке потребителю. В настоящее время это особенно актуально

Ограниченность ресурсов ископаемого энергетического сырья

Потребности в органическом энергетическом сырье велики в индустриально развитых и развивающихся странах (США, Япония, государства объединенной Европы, Китай, Индия и др.). При этом собственные ресурсы углеводородов в этих странах либо недостаточны, либо зарезервированы, а страна, например США, покупает энергетическое сырье за рубежом или разрабатывает месторождения в других странах.

В России, одной из богатейших по энергетическим ресурсам стран, хозяйственные потребности в энергии пока удовлетворяются возможностями использования природных ископаемых. Однако извлечение ископаемого углеводородного сырья из недр происходит очень быстрыми темпами. Если в 1940–1960-е гг. основными нефтедобывающими районами были «Второе Баку» в Поволжье и Предуралье, то, начиная с 1970-х гг., и по настоящее время таким районом является Западная Сибирь. Но и здесь наблюдается значительное снижение добычи ископаемых углеводородов. Уходит в прошлое эпоха «сухого» сеноманского газа. Прежний этап экстенсивного развития добычи природного газа подошел к завершению. Извлечение его из таких месторождений-гигантов, как Медвежье, Уренгойское и Ямбургское, составило, соответственно, 84, 65 и 50 %. Удельный вес запасов нефти, благоприятных для разработки, во времени также снижается.

Вследствие активного потребления углеводородного топлива, запасы нефти и природного газа на суше значительно сократились. Теперь основные их запасы сосредоточены на континентальном шельфе. И хотя сырьевая база нефтяной и газовой промышленности еще достаточна для добычи нефти и газа в России в необходимых объемах, в ближайшем будущем она будет обеспечиваться все в большей степени за счет освоения месторождений со сложными горно-геологическими условиями. Себестоимость добычи углеводородного сырья при этом будет расти.

Большая часть добываемых из недр невозобновляемых ресурсов используется как топливо для энергетических установок. В первую очередь это , доля которого в структуре топлива составляет 64 %.

В России 70 % электроэнергии вырабатывается на ТЭС. Энергетические предприятия страны ежегодно сжигают около 500 млн т у. т. в целях получения электроэнергии и тепла, при этом на производство тепла расходуется углеводородного топлива в 3–4 раза больше, чем на генерацию электроэнергии.

Количество теплоты, получаемое от сгорания названных объемов углеводородного сырья, эквивалентно использованию сотен тонн ядерного топлива – разница огромна. Однако ядерная энергетика требует обеспечения экологической безопасности (для исключения повторения Чернобыля) и защиты ее от возможных террористических актов, а также осуществления безопасного и дорогостоящего вывода из эксплуатации устаревших и отработавших свой срок энергоблоков АЭС. Доказанные извлекаемые запасы урана в мире составляют порядка 3 млн 400 тыс. т. За весь предшествующий период (до 2007 г.) его добыто около 2 млн т.

ВИЭ как будущее мировой энергетики

Возросший в последние десятилетия в мире интерес к альтернативным возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) вызван не только истощением запасов углеводородного топлива, но и необходимостью решения экологических проблем. Объективные факторы (резервы ископаемого топлива и урана, а также изменения окружающей среды, связанные с использованием традиционной огневой и атомной энергетики) и тенденции развития энергетики позволяют утверждать, что переход к новым способам и формам получения энергии является неизбежным. Уже в первой половине XXI в. произойдет полный или почти полный переход на нетрадиционные источники энергии.

Чем раньше будет сделан прорыв в этом направлении, тем менее болезненным он будет для всего общества и более выгодным для страны, где будут сделаны решительные шаги в указанном направлении.

Мировая экономика в настоящее время уже взяла курс на переход к рациональному сочетанию традиционных и новых источников энергии. Энергопотребление в мире к 2000 г. составило более 18 млрд т у. т., а энергопотребление к 2025 г. может возрасти до 30–38 млрд т у. т., по прогнозным данным, к 2050 г. возможно потребление на уровне 60 млрд т у. т. Характерной тенденций развития мировой экономики в рассматриваемый период являются систематическое снижение потребления органического топлива и соответствующий рост использования нетрадиционных энергетических ресурсов. Тепловая энергия Земли занимает среди них одно из первых мест.

В настоящее время Министерством энергетики РФ принята программа развития нетрадиционной энергетики, в том числе 30-ти крупных проектов использования теплонасосных установок (ТНУ), принцип работы которых основан на потреблении низкопотенциальной тепловой энергии Земли.

Низкопотенциальная энергия тепла Земли и тепловые насосы

Источниками низкопотенциальной энергии тепла Земли являются солнечная радиация и тепловое излучение разогретых недр нашей планеты. В настоящее время использование такой энергии – одно из наиболее динамично развивающихся направлений энергетики на основе ВИЭ.

Тепло Земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, а также для обогрева дорожек в зимнее время года, предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п. В англоязычной технической литературе системы, утилизирующие тепло Земли в системах теплоснабжения и кондиционирования, обозначаются как GHP – «geothermal heat pumps» (геотермальные тепловые насосы). Климатические характеристики стран Центральной и Северной Европы, которые вместе с США и Канадой являются главными районами использования низкопотенциального тепла Земли, определяют это главным образом в целях отопления; охлаждение воздуха даже в летний период требуется относительно редко. Поэтому, в отличие от США, тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления. В США они чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух. В европейских странах тепловые насосы обычно применяются в системах водяного отопления. Поскольку их эффективность увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35–40 о C).

Виды систем использования низкопотенциальной энергии тепла Земли

В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной энергии тепла Земли:

– открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии применяются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;

– замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой – его охлаждение).

Минусы открытых систем состоят в том, что скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

– достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;

– хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отложений на стенках труб и коррозией.

Замкнутые системы использования низкопотенциальной энергии тепла Земли

Замкнутые системы бывают горизонтальными и вертикальными (рис 1).

Рис. 1. Схема геотермально теплонасосной установки с: а – горизонтальными

и б – вертикальными грунтовыми теплообменниками.

Горизонтальный грунтовой теплообменник

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно (рис. 2).

Рис. 2. Горизонтальные грунтовые теплообменники с: а – последовательным и

б – параллельным соединением.

Для экономии площади участка, на котором производится теплосъем, были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали (рис. 3), расположенной горизонтально или вертикально. Такая форма теплообменников распространена в США.

Геотермальная энергия - это энергия тепла, которое выделяется из внутренних зон Земли на протяжении сотен миллионов лет. По данным геолого-геофизических исследований, температура в ядре Земли достигает 3 000-6 000 °С, постепенно снижаясь в направлении от центра планеты к ее поверхности. Извержение тысяч вулканов, движение блоков земной коры, землетрясения свидетельствуют о действии мощной внутренней энергии Земли. Ученые считают, что тепловое поле нашей планеты обусловлено радиоактивным распадом в ее недрах, а также гравитационной сепарацией вещества ядра.
Главными источниками разогрева недр планеты есть уран, торий и радиоактивный калий. Процессы радиоактивного распада на континентах происходят в основном в гранитном слое земной коры на глубине 20-30 и более км, в океанах - в верхней мантии. Предполагают, что в подошве земной коры на глубине 10-15 км вероятное значение температур на континентах составляет 600-800 ° С, а в океанах - 150-200 ° С.
Человек может использовать геотермальную энергию только там, где она проявляет себя близко к поверхности Земли, т.е. в районах вулканической и сейсмической активности. Сейчас геотермальную энергию эффективно используют такие страны, как США, Италия, Исландия, Мексика, Япония, Новая Зеландия, Россия, Филиппины, Венгрия, Сальвадор. Здесь внутреннее земное тепло поднимается к самой поверхности в виде горячей воды и пара с температурой до 300 °С и часто вырывается наружу как тепло фонтанирующих источников (гейзеры), например, знаменитые гейзеры Йеллоустонского парка в США, гейзеры Камчатки, Исландии.
Геотермальные источники энергии подразделяют на сухой горячий пар, влажный горячий пар и горячую воду. Скважину, которая является важным источником энергии для электрической железной дороге в Италии (близ г. Лардерелло), с 1904 г. питает сухой горячий пар. Два другие известные в мире места с горячей сухим паром - поле Мацукава в Японии и поле гейзеров возле Сан-Франциско, где также давно и эффективно используют геотермальную энергию. Больше всего в мире влажного горячего пара находится в Новой Зеландии (Вайракей), геотермальные поля чуть меньшей мощности - в Мексике, Японии, Сальвадоре, Никарагуа, России.
Таким образом, можно выделить четыре основных типа ресурсов геотермальной энергии:
поверхностное тепло земли, используемое тепловыми насосами;
энергетические ресурсы пара, горячей и теплой воды у поверхности земли, которые сейчас используются в производстве электрической энергии;
теплота, сосредоточенная глубоко под поверхностью земли (возможно, при отсутствии воды);
энергия магмы и теплота, которая накапливается под вулканами.

Запасы геотермальной теплоты (~ 8 * 1030Дж) в 35 млрд раз превышают годовое мировое потребление энергии. Лишь 1% геотермальной энергии земной коры (глубина 10 км) может дать количество энергии, в 500 раз превышающее все мировые запасы нефти и газа. Однако сегодня может быть использована лишь незначительная часть этих ресурсов, и это обусловлено, прежде всего, экономическими причинами. Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии ввели в эксплуатацию первую геотермальную электростанцию мощностью 7,5 МВт. За прошедшее время, накоплен немалый опыт в области практического освоения геотермальных энергоресурсов. Общая установленная мощность действующих геотермальных электростанций (ГеоТЭС) равнялась: 1975 г. - 1 278 МВт, в 1990 году - 7 300 МВт. Наибольшего прогресса в этом вопросе достигли США, Филиппины, Мексика, Италия, Япония.
Технико-экономические параметры ГеоТЭС изменяются в довольно широких пределах и зависят от геологических характеристик местности (глубины залегания, параметров рабочего тела, его состав и т.д.). Для большинства введенных в эксплуатацию ГеоТЭС себестоимость электроэнергии является подобной себестоимости электроэнергии, получаемой на угольных ТЭС, и составляет 1200 ... 2000 долл. США / МВт.
В Исландии 80% жилых домов обогревается с помощью горячей воды, добытой из геотермальных скважин под городом Рейкьявик. На западе США за счет геотермальных горячих вод обогревают около 180 домов и ферм. По мнению специалистов, между 1993 и 2000 гг глобальное выработки электричества с помощью геотермальной энергии выросло более чем вдвое. Запасов геотермального тепла в США существует так много, что оно может, теоретически, давать в 30 раз больше энергии, чем ее сейчас потребляет государство.
В перспективе возможно использование тепла магмы в тех районах, где она расположена близко к поверхности Земли, а также сухого тепла разогретых кристаллических пород. В последнем случае скважины бурят на несколько километров, закачивают вниз холодную воду, а обратно получают горячую.

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.

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.

И.М. Капитонов

Ядерное тепло Земли

Земное тепло

Земля – довольно сильно нагретое тело и является источником тепла. Она нагревается, прежде всего, за счёт поглощаемого ею солнечного излучения. Но Земля имеет и собственный тепловой ресурс сопоставимый с получаемым теплом от Солнца. Считается, что эта собственная энергия Земли имеет следующее происхождение. Земля возникла около 4.5 млрд лет назад вслед за образованием Солнца из вращающегося вокруг него и уплотняющегося протопланетного газо-пылевого диска. На раннем этапе своего формирования происходил разогрев земной субстанции за счёт сравнительно медленного гравитационного сжатия. Большую роль в тепловом балансе Земли играла также энергия, выделявшаяся при падении на неё мелких космических тел. Поэтому молодая Земля была расплавленной. Остывая, она постепенно пришла к своему нынешнему состоянию с твёрдой поверхностью, значительная часть которой покрыта океаническими и морскими водами. Этот твёрдый наружный слой называют земной корой и в среднем на участках суши его толщина около 40 км, а под океаническими водами – 5-10 км. Более глубокий слой Земли, называемый мантией , также состоит из твёрдого вещества. Он простирается на глубину почти до 3000 км и в нём содержится основная часть вещества Земли. Наконец самая внутренняя часть Земли – это её ядро . Оно состоит из двух слоёв – внешнего и внутреннего. Внешнее ядро это слой расплавленного железа и никеля при температуре 4500-6500 K толщиной 2000-2500 км. Внутреннее ядро радиусом 1000-1500 км представляет собой нагретый до температуры 4000-5000 K твёрдый железо-никелевый сплав плотностью около 14 г/см 3 , возникший при огромном (почти 4 млн бар) давлении.
Помимо внутреннего тепла Земли, доставшегося её в наследство от самого раннего горячего этапа её формирования, и количество которого должно уменьшаться со временем, существует и другой, – долговременный, связанный с радиоактивным распадом ядер с большим периодом полураспада – прежде всего, 232 Th, 235 U, 238 U и 40 K. Энергия, выделяющаяся в этих распадах – на их долю приходится почти 99% земной радиоактивной энергии – постоянно пополняет тепловые запасы Земли. Вышеперечисленные ядра содержатся в коре и мантии. Их распад приводит к нагреву как внешних, так и внутренних слоёв Земли.
Часть огромного тепла, содержащегося внутри Земли, постоянно выходит на её поверхность часто в весьма масштабных вулканических процессах. Тепловой поток, вытекающий из глубин Земли через её поверхность известен. Он составляет (47±2)·10 12 Ватт , что эквивалентно теплу, которое могут генерировать 50 тысяч атомных электростанций (средняя мощность одной АЭС около 10 9 Ватт). Возникает вопрос, играет ли какую-либо существенную роль радиоактивная энергия в полном тепловом бюджете Земли и если играет, то какую? Ответ на эти вопросы долгое время оставался неизвестным. В настоящее время появились возможности ответить на эти вопросы. Ключевая роль здесь принадлежит нейтрино (антинейтрино), которые рождаются в процессах радиоактивного распада ядер, входящих в состав вещества Земли и которые получили название гео-нейтрино .

Гео-нейтрино

Гео-нейтрино – это объединённое название нейтрино или антинейтрино, которые испускаются в результате бета-распада ядер, расположенных под земной поверхностью. Очевидно, что благодаря беспрецедентной проникающей способности, регистрация именно их (и только их) наземными нейтринными детекторами может дать объективную информацию о процессах радиоактивного распада, происходящих глубоко внутри Земли. Примером такого распада является β − -распад ядра 228 Ra, которое является продуктом α-распада долгоживущего ядра 232 Th (см. таблицу):

Период полураспада (T 1/2) ядра 228 Ra равен 5.75 лет, выделяющаяся энергия составляет около 46 кэВ. Энергетический спектр антинейтрино непрерывен с верхней границей близкой к выделяющейся энергии.
Распады ядер 232 Th, 235 U, 238 U представляют собой цепочки последовательных распадов, образующих так называемые радиоактивные ряды . В таких цепочках α-распады перемежаются β − -распадами, так как при α-распадах конечные ядра оказываются смещёнными от линии β-стабильности в область ядер, перегруженных нейтронами. После цепочки последовательных распадов в конце каждого ряда образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z = 82, N = 126). Такими конечными ядрами являются стабильные изотопы свинца или висмута. Так распад T 1/2 завершается образованием дважды магического ядра 208 Pb, причем на пути 232 Th → 208 Pb происходит шесть α-распадов, перемежающихся четырьмя β − -распадами (в цепочке 238 U → 206 Pb восемь α- и шесть β − -распадов; в цепочке 235 U → 207 Pb семь α- и четыре β − -распада). Таким образом, энергетический спектр антинейтрино от каждого радиоактивного ряда представляет собой наложение парциальных спектров от отдельных β − -распадов, входящих в состав этого ряда. Спектры антинейтрино, образующихся в распадах 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, показаны на рис. 1. Распад 40 K это однократный β − -распад (см. таблицу). Наибольшей энергии (до 3.26 МэВ) антинейтрино достигают в распаде
214 Bi → 214 Po, являющемся звеном радиоактивного ряда 238 U. Полная энергия, выделяющаяся при прохождении всех звеньев распада ряда 232 Th → 208 Pb, равна 42.65 МэВ. Для радиоактивных рядов 235 U и 238 U эти энергии соответственно 46.39 и 51.69 МэВ. Энергия, освобождающаяся в распаде
40 K → 40 Ca, составляет 1.31 МэВ.

Характеристики ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K

Ядро	Доля в % в смеси изотопов	Число ядер относит. ядер Si	T 1/2 , млрд лет	Первые звенья распада
232 Th	100	0.0335	14.0
235 U	0.7204	6.48·10 -5	0.704
238 U	99.2742	0.00893	4.47
40 K	0.0117	0.440	1.25

Оценка потока гео-нейтрино, сделанная на основе распада ядер 232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, содержащихся в составе вещества Земли, приводит к величине порядка 10 6 см -2 сек -1 . Зарегистрировав эти гео-нейтрино, можно получить информацию о роли радиоактивного тепла в полном тепловом балансе Земли и проверить наши представления о содержании долгоживущих радиоизотопов в составе земного вещества.

Рис. 1. Энергетические спектры антинейтрино от распада ядер

232 Th, 235 U, 238 U, 40 K, нормализованные к одному распаду родительского ядра

Для регистрации электронных антинейтрино используется реакция

P → e + + n, (1)

в которой собственно и была открыта эта частица. Порог этой реакции 1.8 МэВ. Поэтому только гео-нейтрино, образующиеся в цепочках распада, стартующих с ядер 232 Th и 238 U, могут быть зарегистрированы в вышеуказанной реакции. Эффективное сечение обсуждаемой реакции крайне мало: σ ≈ 10 -43 см 2 . Отсюда следует, что нейтринный детектор с чувствительным объёмом 1 м 3 будет регистрировать не более нескольких событий в год. Очевидно, что для уверенной фиксации потоков гео-нейтрино необходимы нейтринные детекторы большого объёма, размещённые в подземных лабораториях для максимальной защиты от фона. Идея использовать для регистрации гео-нейтрино детекторы, предназначенные для изучения солнечных и реакторных нейтрино, возникла в 1998 г. . В настоящее время имеется два нейтринных детектора большого объёма, использующих жидкий сцинтиллятор и пригодные для решения поставленной задачи. Это нейтринные детекторы экспериментов KamLAND (Япония, ) и Borexino (Италия, ). Ниже рассматривается устройство детектора Borexino и полученные на этом детекторе результаты по регистрации гео-нейтрино.

Детектор Borexino и регистрация гео-нейтрино

Нейтринный детектор Борексино расположен в центральной Италии в подземной лаборатории под горным массивом Гран Сассо, высота горных пиков которого достигает 2.9 км (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения нейтринной лаборатории под горным массивом Гран Сассо (центральная Италия)

Борексино это несегментированный массивный детектор, активной средой которого являются
280 тонн органического жидкого сцинтиллятора. Им заполнен нейлоновый сферический сосуд диаметром 8.5 м (рис. 3). Сцинтиллятором является псевдокумол (С 9 Н 12) со сдвигающей спектр добавкой РРО (1.5 г/л). Свет от сцинтиллятора собирается 2212 восьмидюймовыми фотоумножителями (ФЭУ), размещёнными на сфере из нержавеющей стали (СНС).

Рис. 3. Схема устройства детектора Борексино

Нейлоновый сосуд с псевдокумолом является внутренним детектором, в задачу которого и входит регистрация нейтрино (антинейтрино). Внутренний детектор окружён двумя концентрическими буферными зонами, защищающими его от внешних гамма-квантов и нейтронов. Внутренняя зона заполнена несцинтиллирующей средой, состоящей из 900 тонн псевдокумола с добавками диметилфталата, гасящими сцинтилляции. Внешняя зона располагается поверх СНС и является водным черенковским детектором, содержащим 2000 тонн сверхчистой воды и отсекающим сигналы от мюонов, попадающих в установку извне. Для каждого взаимодействия, происходящего во внутреннем детекторе, определяется энергия и время. Калибровка детектора с использованием различных радиоактивных источников позволила весьма точно определить его энергетическую шкалу и степень воспроизводимости светового сигнала.
Борексино является детектором очень высокой радиационной чистоты. Все материалы прошли строгий отбор, а сцинтиллятор был подвергнут очистке для максимального уменьшения внутреннего фона. Вследствие высокой радиационной чистоты Борексино является прекрасным детектором для регистрации антинейтрино.
В реакции (1) позитрон даёт мгновенный сигнал, за которым через некоторое время следует захват нейтрона ядром водорода, что приводит к появлению γ-кванта с энергией 2.22 МэВ, создающего сигнал, задержанный относительно первого. В Борексино время захвата нейтрона около 260 мкс. Мгновенный и задержанный сигналы коррелируют в пространстве и во времени, обеспечивая точное распознавание события, вызванного e .
Порог реакции (1) равен 1.806 МэВ и, как видно из рис. 1, все гео-нейтрино от распадов 40 K и 235 U оказываются ниже этого порога и лишь часть гео-нейтрино, возникших в распадах 232 Th и 238 U, может быть зарегистрирована.
Детектор Борексино впервые зарегистрировал сигналы от гео-нейтрино в 2010 г. и недавно опубликованы новые результаты, основанные на наблюдениях в течение 2056 дней в период с декабря 2007 г. по март 2015 г. Ниже мы приведём полученные данные и результаты их обсуждения, основываясь на статье .
В результате анализа экспериментальных данных были идентифицированы 77 кандидатов в электронные антинейтрино, прошедшие все критерии отбора. Фон от событий, имитирующих e , оценивался величиной . Таким образом, отношение сигнал/фон было ≈100.
Главным источником фона были реакторные антинейтрино. Для Борексино ситуация была достаточно благоприятной, так как вблизи лаборатории Гран Сассо нет ядерных реакторов. Кроме того, реакторные антинейтрино более энергичные по сравнению с гео-нейтрино, что позволяло отделить эти антинейтрино по величине сигнала от позитрона. Результаты анализа вкладов гео-нейтрино и реакторных антинейтрино в полное число зарегистрированных событий от e показаны на рис. 4. Количество зарегистрированных гео-нейтрино, даваемое этим анализом (на рис. 4 им соответствует затемнённая область), равно . В извлечённом в результате анализа спектре гео-нейтрино видны две группы – менее энергичная, более интенсивная и более энергичная, менее интенсивная. Эти группы авторы описываемого исследования связывают с распадами соответственно тория и урана.
В обсуждаемом анализе использовалось отношение масс тория и урана в веществе Земли
m(Th)/m(U) = 3.9 (в таблице эта величина ≈3.8). Указанная цифра отражает относительное содержание этих химических элементов в хондритах – наиболее распространённой группе метеоритов (более 90% метеоритов, упавших на Землю, относятся к этой группе). Считается, что состав хондритов за исключением лёгких газов (водород и гелий) повторяет состав Солнечной системы и протопланетного диска, из которого образовалась Земля.

Рис. 4. Спектр светового выхода от позитронов в единицах числа фотоэлектронов для событий-кандидатов в антинейтрино (экспериментальные точки). Затемнённая область – вклад гео-нейтрино. Сплошная линия – вклад реакторных антинейтрино.