Енергія тепла землі як джерело опалення. Використовувані ґрунтові теплообмінники та схеми теплопостачання

У нашій країні, багатій на вуглеводні, геотермальна енергія - якийсь екзотичний ресурс, який за сьогоднішнього стану справ навряд чи складе конкуренцію нафти і газу. Тим не менш, цей альтернативний вид енергії може використовуватися практично всюди і досить ефективно.

Геотермальна енергія – це тепло земних надр. Виробляється воно в глибинах і надходить до Землі в різних формах і з різною інтенсивністю.

Температура верхніх шарів ґрунту залежить в основному від зовнішніх (екзогенних) факторів – сонячного освітлення та температури повітря. Влітку і вдень ґрунт до певних глибин прогрівається, а взимку та вночі охолоджується слідом за зміною температури повітря та з деяким запізненням, що наростає з глибиною. Вплив добових коливань температури повітря закінчується на глибинах від одиниць до кількох десятків сантиметрів. Сезонні коливання захоплюють глибші пласти ґрунту - до десятків метрів.

На певній глибині - від десятків до сотень метрів - температура ґрунту тримається постійною, рівною середньорічній температурі повітря біля Землі. У цьому легко переконатись, спустившись у досить глибоку печеру.

Коли середньорічна температура повітря у цій місцевості нижче нуля, це проявляється як вічна (точніше, багаторічна) мерзлота. У Східному Сибіру потужність, тобто товщина, цілий рік мерзлих ґрунтів досягає місцями 200-300 м.

З деякої глибини (своєї кожної точки на карті) дія Сонця і атмосфери слабшає настільки, що у перше місце виходять ендогенні (внутрішні) чинники і відбувається розігрів земних надр зсередини, отже температура з глибиною починає зростати.

Розігрів глибинних шарів Землі пов'язують, головним чином, з розпадом радіоактивних елементів, що там знаходяться, хоча називають й інші джерела тепла, наприклад фізико-хімічні, тектонічні процеси в глибоких шарах земної кори і мантії. Але чим би це не було зумовлено, температура гірських порід та пов'язаних з ними рідких та газоподібних субстанцій із глибиною зростає. З цим явищем стикаються гірники – у глибоких шахтах завжди спекотно. На глибині 1 км тридцятиградусна спека - нормальне явище, а глибша температура ще вища.

Тепловий потік земних надр, що досягає поверхні Землі, невеликий - у середньому його потужність становить 0,03-0,05 Вт/м 2 або приблизно 350 Вт · год / м 2 на рік. На тлі теплового потоку від Сонця та нагрітого ним повітря це непомітна величина: Сонце дає кожному квадратному метру земної поверхні близько 4000 кВт·год щорічно, тобто в 10 000 разів більше (зрозуміло, це в середньому, при величезному розкиді між полярними та екваторіальними широтами) та в залежності від інших кліматичних та погодних факторів).

Незначність теплового потоку з надр до поверхні більшої частини планети пов'язана з низькою теплопровідністю гірських порід та особливостями геологічної будови. Але є винятки – місця, де тепловий потік великий. Це насамперед зони тектонічних розломів, підвищеної сейсмічної активності та вулканізму, де енергія земних надр знаходить вихід. Для таких зон характерні термічні аномалії літосфери, тут тепловий потік, що досягає поверхні Землі, може бути в рази і навіть на порядки потужніший за «звичайний». Величезна кількість тепла на поверхню у цих зонах виносять виверження вулканів та гарячі джерела води.

Саме такі райони є найбільш сприятливими для розвитку геотермальної енергетики. На території Росії це, перш за все, Камчатка, Курильські острови та Кавказ.

У той же час розвиток геотермальної енергетики можливий практично скрізь, оскільки зростання температури з глибиною - явище повсюдне, і завдання полягає в «видобуті» тепла з надр, подібно до того, як звідти видобувається мінеральна сировина.

У середньому температура з глибиною зростає на 2,5-3 ° C на кожні 100 м. Відношення різниці температур між двома точками, що лежать на різній глибині, до різниці глибин між ними називають геотермічним градієнтом.

Зворотна величина - геотермічний ступінь або інтервал глибин, на якому температура підвищується на 1°C.

Чим вище градієнт і нижче ступінь, тим ближче тепло глибин Землі підходить до поверхні і тим паче перспективний даний район у розвиток геотермальної енергетики.

У різних районах, залежно від геологічної будови та інших регіональних та місцевих умов, швидкість зростання температури із глибиною може різко відрізнятися. У масштабах Землі коливання величин геотермічних градієнтів і щаблів досягають 25 разів. Наприклад, у штаті Орегон (США) градієнт становить 150 ° C на 1 км, а в Південній Африці - 6 ° C на 1 км.

Питання, яка температура на великих глибинах – 5, 10 км і більше? При збереженні тенденції температура на глибині 10 км повинна становити приблизно 250–300°C. Це більш менш підтверджується прямими спостереженнями в надглибоких свердловинах, хоча картина істотно складніше лінійного підвищення температури.

Наприклад, у Кольській надглибокій свердловині, пробуреній у Балтійському кристалічному щиті, температура до глибини 3 км змінюється зі швидкістю 10 ° C / 1 км, а далі геотермічний градієнт стає в 2-2,5 рази більше. На глибині 7 км зафіксовано вже температуру 120°C, на 10 км - 180°C, а на 12 км - 220°C.

Інший приклад - свердловина, закладена в Північному Прикаспії, де на глибині 500 м зареєстрована температура 42 ° C, на 1,5 км - 70 ° C, на 2 км - 80 ° C, на 3 км - 108 ° C.

Передбачається, що геотермічний градієнт зменшується починаючи з глибини 20–30 км: на глибині 100 км приблизно температури близько 1300–1500°C, на глибині 400 км – 1600°C, в ядрі Землі (глибини понад 6000 км) – 4000 C.

На глибинах до 10-12 км температуру вимірюють через пробурені свердловини; там же, де їх немає, її визначають за непрямими ознаками так само, як і на більших глибинах. Такими непрямими ознаками можуть бути характер проходження сейсмічних хвиль або температура лави, що виливається.

Втім, для цілей геотермальної енергетики дані про температури на глибинах понад 10 км поки що не становлять практичного інтересу.

На глибинах за кілька кілометрів багато тепла, але як його підняти? Іноді це завдання вирішує за нас сама природа за допомогою природного теплоносія - нагрітих термальних вод, що виходять на поверхню або залягають на доступній для нас глибині. У ряді випадків вода в глибинах розігріта до пари.

Суворого визначення поняття "термальні води" немає. Як правило, під ними мають на увазі гарячі підземні води в рідкому стані або у вигляді пари, у тому числі ті, що виходять на поверхню Землі з температурою вище 20°C, тобто, як правило, вищою, ніж температура повітря.

Тепло підземних вод, пари, пароводяних сумішей – це гідротермальна енергія. Відповідно енергетика, заснована на її використанні, називається гідротермальною.

Складніша ситуація з видобутком тепла безпосередньо сухих гірських порід - петротермальної енергії, тим більше що досить високі температури, як правило, починаються з глибин в кілька кілометрів.

На території Росії потенціал петротермальної енергії в сто разів вищий, ніж у гідротермальної - відповідно 3500 і 35 трлн тонн умовного палива. Це цілком природно – тепло глибин Землі є скрізь, а термальні води виявляються локально. Однак через очевидні технічні труднощі для отримання тепла та електроенергії нині використовуються переважно термальні води.

Води температурою від 20-30 до 100 ° C придатні для опалення, температурою від 150 ° C і вище - і для вироблення електроенергії на геотермальних електростанціях.

У цілому ж геотермальні ресурси біля Росії у перерахунку на тонни умовного палива чи будь-яку іншу одиницю виміру енергії приблизно 10 разів вище запасів органічного палива.

Теоретично лише рахунок геотермальної енергії можна було б повністю задовольнити енергетичні потреби країни. Майже на даний момент на більшій частині її території це неможливе з техніко-економічних міркувань.

У світі використання геотермальної енергії асоціюється найчастіше з Ісландією - країною, розташованою на північному закінченні Серединно-Атлантичного хребта, у виключно активній тектонічній та вулканічній зоні. Напевно, всі пам'ятають потужне виверження вулкана Ейяф'ятлайокудль ( Eyjafjallajökull) в 2010 році.

Саме завдяки такій геологічній специфіці Ісландія має величезні запаси геотермальної енергії, у тому числі гарячих джерел, що виходять на поверхню Землі і навіть фонтанують у вигляді гейзерів.

В Ісландії нині понад 60% усієї споживаної енергії беруть із Землі. У тому числі за рахунок геотермальних джерел забезпечується 90% опалення та 30% вироблення електроенергії. Додамо, що решта електроенергії в країні виробляється на ГЕС, тобто з використанням відновлюваного джерела енергії, завдяки чому Ісландія виглядає якимось світовим екологічним еталоном.

"Приручення" геотермальної енергії в XX столітті помітно допомогло Ісландії в економічному відношенні. До середини минулого століття вона була дуже бідною країною, зараз займає перше місце у світі за встановленою потужністю та виробництвом геотермальної енергії на душу населення і знаходиться в першій десятці за абсолютною величиною встановленої потужності геотермальних електростанцій. Проте її населення становить лише 300 тисяч жителів, що полегшує завдання переходу на екологічно чисті джерела енергії: потреби у ній загалом невеликі.

Крім Ісландії висока частка геотермальної енергетики у загальному балансі виробництва електроенергії забезпечується у Новій Зеландії та острівних державах Південно-Східної Азії (Філіппіни та Індонезія), країнах Центральної Америки та Східної Африки, територія яких також характеризується високою сейсмічною та вулканічною активністю. Для цих країн за їх нинішнього рівня розвитку та потреб геотермальна енергетика робить вагомий внесок у соціально-економічний розвиток.

Використання геотермальної енергії має дуже давню історію. Один із перших відомих прикладів - Італія, містечко в провінції Тоскана, нині зване Лардерелло, де ще на початку XIX століття місцеві гарячі термальні води, що виливалися природним шляхом або видобували з неглибоких свердловин, використовувалися в енергетичних цілях.

Вода з підземних джерел, багата на бор, вживалася тут для отримання борної кислоти. Спочатку цю кислоту отримували методом випарювання в залізних бойлерах, а як паливо брали звичайні дрова з найближчих лісів, але в 1827 Франческо Лардерел (Francesco Larderel) створив систему, що працювала на теплі самих вод. Водночас енергію природної водяної пари почали використовувати для роботи бурових установок, а на початку XX століття – і для опалення місцевих будинків та теплиць. Там же, в Лардерелло, 1904 року термальна водяна пара стала енергетичним джерелом для отримання електрики.

Приклад Італії в кінці XIX-початку XX століття наслідували деякі інші країни. Наприклад, в 1892 році термальні води вперше були використані для місцевого опалення в США (Бойсе, штат Айдахо), 1919-го - в Японії, 1928-го - в Ісландії.

У США перша електростанція, що працювала на гідротермальній енергії, з'явилася в Каліфорнії на початку 1930-х років, у Новій Зеландії - у 1958 році, у Мексиці - у 1959-му, у Росії (перша у світі бінарна ГеоЕС) - у 1965-му .

Старий принцип на новому джерелі

Вироблення електроенергії потребує більш високої температури гідроджерела, ніж для опалення - понад 150°C. Принцип роботи геотермальної електростанції (ГеоЕС) подібний до принципу роботи звичайної теплової електростанції (ТЕС). По суті геотермальна електростанція - різновид ТЕС.

На ТЕС у ролі первинного джерела енергії виступають, зазвичай, вугілля, газ чи мазут, а робочим тілом служить водяну пару. Паливо, згоряючи, нагріває воду до стану пари, що обертає парову турбіну, а вона генерує електрику.

Відмінність ГеоЕС полягає в тому, що первинне джерело енергії тут - тепло земних надр і робоче тіло у вигляді пари надходить на лопаті турбіни електрогенератора в готовому вигляді прямо з видобувної свердловини.

Існують три основні схеми роботи ГеоЕС: пряма, з використанням сухої (геотермальної) пари; непряма, на основі гідротермальної води, змішана, або бінарна.

Застосування тієї чи іншої схеми залежить від агрегатного стану та температури енергоносія.

Найпростіша і тому перша з освоєних схем - пряма, в якій пара, що надходить зі свердловини, пропускається безпосередньо через турбіну. На сухій парі працювала і перша у світі ГеоЕС у Лардерелло у 1904 році.

ГеоЕС з непрямою схемою роботи у час найпоширеніші. Вони використовують гарячу підземну воду, яка під високим тиском нагнітається у випарник, де частина її випаровується, а отримана пара обертає турбіну. У ряді випадків потрібні додаткові пристрої та контури для очищення геотермальної води та пари від агресивних з'єднань.

Відпрацьований пар надходить у свердловину нагнітання чи використовується опалення приміщень, - у разі принцип той самий, що з роботі ТЕЦ.

На бінарних ГеоЕС гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, яка виконує функції робочого тіла з нижчою температурою кипіння. Обидві рідини пропускаються через теплообмінник, де термальна вода випарює робочу рідину, пари якої обертають турбіну.

Принцип роботи бінарної ГеоЕС. Гаряча термальна вода взаємодіє з іншою рідиною, що виконує функції робочого тіла та має менш високу температуру кипіння. Обидві рідини пропускаються через теплообмінник, де термальна вода випарює робочу рідину, пари якої у свою чергу обертають турбіну.

Ця система замкнута, що вирішує проблеми викидів у повітря. Крім того, робочі рідини з порівняно низькою температурою кипіння дозволяють використовувати як первинне джерело енергії і не дуже гарячі термальні води.

У всіх трьох схемах експлуатується гідротермальне джерело, але для отримання електрики можна використовувати петротермальну енергію.

Принципова схема у разі також досить проста. Необхідно пробурити дві свердловини, що з'єднуються між собою - нагнітальну і експлуатаційну. У нагнітальну свердловину закачується вода. На глибині вона нагрівається, потім нагріта вода або пар, що утворився в результаті сильного нагріву, по експлуатаційній свердловині подається на поверхню. Далі все залежить від того, як використовується петротермальна енергія - для опалення або виробництва електроенергії. Можливий замкнутий цикл із закачуванням відпрацьованої пари та води назад у нагнітальну свердловину чи інший спосіб утилізації.

Схема роботи петротермальної системи Система заснована на використанні температурного градієнта між поверхнею землі та її надрами, де температура вища. Вода з поверхні закачується в нагнітальну свердловину і нагрівається на глибині, далі нагріта вода або пар, що утворився в результаті нагрівання, подаються на поверхню по експлуатаційній свердловині.

Недолік такої системи є очевидним: для отримання досить високої температури робочої рідини потрібно бурити свердловини на велику глибину. А це серйозні витрати та ризик суттєвих втрат тепла під час руху флюїду вгору. Тому петротермальні системи поки що менш поширені порівняно з гідротермальними, хоча потенціал петротермальної енергетики на порядки вищий.

Нині лідер у створенні про петротермальних циркуляційних систем (ПЦС) - Австралія. Крім того, цей напрямок геотермальної енергетики активно розвивається в США, Швейцарії, Великій Британії, Японії.

Подарунок лорда Кельвіна

Винахід у 1852 році теплового насосу фізиком Вільямом Томпсоном (він же – лорд Кельвін) надав людству реальну можливість використання низькопотенційного тепла верхніх шарів ґрунту. Теплонасосна система, або, як її називав Томпсон, помножувач тепла, заснована на фізичному процесі передачі тепла від навколишнього середовища до холодоагенту. По суті, у ній використовують той самий принцип, що й у петротермальних системах. Відмінність – у джерелі тепла, у зв'язку з чим може виникнути термінологічне питання: наскільки тепловий насос можна вважати геотермальною системою? Справа в тому, що у верхніх шарах, до глибин у десятки-сотні метрів, породи і флюїди, що містяться в них, нагріваються не глибинним теплом землі, а сонцем. Отже, саме сонце у разі - первинне джерело тепла, хоча забирається воно, як й у геотермальних системах, із землі.

Робота теплового насоса заснована на запізнюванні прогріву та охолодження ґрунту в порівнянні з атмосферою, внаслідок чого утворюється градієнт температур між поверхнею та глибшими шарами, які зберігають тепло навіть узимку, подібно до того, як це відбувається у водоймах. Основне призначення теплових насосів – обігрів приміщень. По суті – це «холодильник навпаки». І тепловий насос, і холодильник взаємодіють з трьома складовими: внутрішнім середовищем (у першому випадку - опалювальне приміщення, у другому - камера холодильника, що охолоджується), зовнішнім середовищем - джерелом енергії і холодильним агентом (холодоагентом), він же - теплоносій, що забезпечує передачу тепла холоду.

У ролі холодоагенту виступає речовина з низькою температурою кипіння, що дозволяє йому відбирати тепло у джерела, що має навіть порівняно низьку температуру.

У холодильнику рідкий холодоагент через дросель (регулятор тиску) надходить у випарник, де через різке зменшення тиску відбувається випаровування рідини. Випаровування – ендотермічний процес, що вимагає поглинання тепла ззовні. В результаті тепло з внутрішніх стінок випарника забирається, що забезпечує охолодний ефект в камері холодильника. Далі з випарника холодоагент засмоктується в компресор, де він повертається в рідкий агрегатний стан. Це зворотний процес, що веде до викиду відібраного тепла у зовнішнє середовище. Як правило, воно викидається в приміщення і задня стінка холодильника порівняно тепла.

Тепловий насос працює практично так само, з тією різницею, що тепло забирається із зовнішнього середовища і через випарник надходить у внутрішнє середовище – систему опалення приміщення.

У реальному тепловому насосі вода нагрівається, проходячи по зовнішньому контуру, покладеному в землю або водоймище, далі надходить у випарник.

У випарнику тепло передається у внутрішній контур заповнений холодоагентом з низькою температурою кипіння, який, проходячи через випарник, переходить з рідкого стану в газоподібний, забираючи тепло.

Далі газоподібний холодоагент потрапляє в компресор, де стискається до високого тиску та температури, і надходить у конденсатор, де відбувається теплообмін між гарячим газом та теплоносієм із системи опалення.

Для роботи компресора потрібна електроенергія, проте коефіцієнт трансформації (співвідношення енергії, що споживається і виробляється) в сучасних системах досить високий, щоб забезпечити їх ефективність.

В даний час теплові насоси досить широко використовуються для опалення приміщень, головним чином, економічно розвинених країн.

Екокоректна енергетика

Геотермальна енергетика вважається екологічно чистою, що загалом справедливо. Насамперед, у ній використовується відновлюваний та практично невичерпний ресурс. Геотермальна енергетика не потребує великих площ, на відміну великих ГЕС чи вітропарків, і забруднює атмосферу, на відміну вуглеводневої енергетики. У середньому ГеоЕС займає 400 м 2 у перерахунку на 1 ГВт електроенергії, що виробляється. Той самий показник для вугільної ТЕС, наприклад, становить 3600 м 2 . До екологічних переваг ГеоЕС відносять також низьке водоспоживання - 20 літрів прісної води на 1 кВт, тоді як для ТЕС та АЕС потрібно близько 1000 літрів. Зауважимо, що це екологічні показники «середньостатистичної» ГеоЕС.

Але негативні побічні ефекти все ж таки є. Серед них найчастіше виділяють шум, теплове забруднення атмосфери та хімічне – води та ґрунти, а також утворення твердих відходів.

Головне джерело хімічного забруднення середовища - власне термальна вода (з високою температурою та мінералізацією), що нерідко містить велику кількість токсичних сполук, у зв'язку з чим існує проблема утилізації відпрацьованої води та небезпечних речовин.

Негативні ефекти геотермальної енергетики можуть простежуватися кілька етапів, починаючи з буріння свердловин. Тут виникають ті ж небезпеки, що і при бурінні будь-якої свердловини: руйнування ґрунтово-рослинного покриву, забруднення ґрунту та ґрунтових вод.

На стадії експлуатації ГеоЕС проблеми забруднення довкілля зберігаються. Термальні флюїди - вода і пара - зазвичай містять вуглекислий газ (CO 2), сульфід сірки (H 2 S), аміак (NH 3), метан (CH 4), кухонну сіль (NaCl), бор (B), миш'як (As ), ртуть (Hg). При викидах у довкілля вони стають джерелами її забруднення. Крім того, агресивне хімічне середовище може спричинити корозійні руйнування конструкцій ГеоТЕС.

Водночас викиди забруднюючих речовин на ГеоЕС у середньому нижчі, ніж на ТЕС. Наприклад, викиди вуглекислого газу на кожну кіловат-годину виробленої електроенергії складають до 380 г на ГеоЕС, 1042 г – на вугільних ТЕС, 906 г – на мазутних та 453 г – на газових ТЕС.

Виникає питання: що робити із відпрацьованою водою? При низькій мінералізації вона після охолодження може бути скинута в поверхневі води. Інший шлях - закачування її у водоносний пласт через нагнітальну свердловину, що переважно і переважно застосовується нині.

Видобуток термальної води з водоносних пластів (як і викачування звичайної води) може викликати просідання і зсув грунту, інші деформації геологічних шарів, мікроземлетруси. Імовірність таких явищ, як правило, невелика, хоча окремі випадки зафіксовані (наприклад, на ГеоЕС у Штауфен-ім-Брайсгау у Німеччині).

Слід наголосити, що більшість ГеоЕС розташована на порівняно малонаселених територіях та країнах третього світу, де екологічні вимоги бувають менш жорсткими, ніж у розвинених країнах. Крім того, на даний момент кількість ГеоЕС та їх потужності порівняно невеликі. За більш масштабного розвитку геотермальної енергетики екологічні ризики можуть зрости і помножитися.

Чим енергія Землі?

Інвестиційні витрати на будівництво геотермальних систем варіюють у дуже широкому діапазоні - від 200 до 5000 доларів на 1 кВт встановленої потужності, тобто найдешевші варіанти можна порівняти з вартістю будівництва ТЕС. Залежать вони передусім від умов залягання термальних вод, їх складу, конструкції системи. Буріння на велику глибину, створення замкнутої системи із двома свердловинами, необхідність очищення води можуть багаторазово збільшувати вартість.

Наприклад, інвестиції у створення петротермальної циркуляційної системи (ПЦС) оцінюються в 1,6–4 тис. доларів на 1 кВт встановленої потужності, що перевищує витрати на будівництво атомної електростанції та порівняно з витратами на будівництво вітрових та сонячних електростанцій.

Очевидна економічна перевага ГеоТЕС – безкоштовний енергоносій. Для порівняння – у структурі витрат працюючої ТЕС чи АЕС на паливо припадає 50–80% або навіть більше, залежно від поточних цін на енергоносії. Звідси ще одна перевага геотермальної системи: витрати при експлуатації більш стабільні та передбачувані, оскільки не залежать від зовнішньої кон'юнктури цін на енергоносії. У цілому нині експлуатаційні витрати ГеоТЕС оцінюються в 2–10 центів (60 коп.–3 крб.) на 1 кВт·ч виробленої потужності.

Друга за величиною після енергоносія (і дуже суттєва) стаття витрат – це, як правило, заробітна плата персоналу станції, яка може кардинально відрізнятись по країнах та регіонах.

У середньому собівартість 1 кВт·г геотермальної енергії порівнянна з такою для ТЕС (у російських умовах - близько 1 руб./1 кВт·г) і в десять разів вище за собівартість вироблення електроенергії на ГЕС (5-10 коп./1 кВт·г ).

Частково причина високої собівартості полягає в тому, що, на відміну від теплових та гідравлічних електростанцій, ГеоТЕС має порівняно невелику потужність. Крім того, необхідно порівнювати системи, що знаходяться в одному регіоні та в подібних умовах. Так, наприклад, на Камчатці, за оцінками експертів, 1 кВт·г геотермальної електроенергії обходиться в 2–3 рази дешевше за електроенергію, вироблену на місцевих ТЕС.

Показники економічної ефективності роботи геотермальної системи залежать, наприклад, і від того, чи потрібно утилізувати відпрацьовану воду і як це робиться, чи можливе комбіноване використання ресурсу. Так, хімічні елементи та сполуки, витягнуті з термальної води, можуть дати додатковий дохід. Згадаймо приклад Лардерелло: первинним там було саме хімічне виробництво, а використання геотермальної енергії спочатку мало допоміжний характер.

Форварди геотермальної енергетики

Геотермальна енергетика розвивається трохи інакше, ніж вітряна та сонячна. В даний час вона значно більшою мірою залежить від характеру самого ресурсу, який різко відрізняється по регіонах, а найбільші концентрації прив'язані до вузьких зон геотермічних аномалій, пов'язаних, як правило, з районами розвитку тектонічних розломів і вулканізму.

Крім того, геотермальна енергетика менш технологічно ємна в порівнянні з вітряною і тим більше сонячною енергетикою: системи геотермальних станцій досить прості.

У загальній структурі світового виробництва електроенергії на геотермальну складову припадає менше 1%, але в деяких регіонах та країнах її частка сягає 25–30%. Через прив'язку до геологічним умовам значна частина потужностей геотермальної енергетики зосереджена у країнах третього світу, де виділяються три кластери найбільшого розвитку галузі - острови Південно-Східної Азії, Центральна Америка та Східна Африка. Два перші регіони входять до Тихоокеанського «вогняного пояса Землі», третій прив'язаний до Східно-Африканського рифту. З найбільшою ймовірністю геотермальна енергетика й надалі розвиватиметься у цих поясах. Більш віддалена перспектива – розвиток петротермальної енергетики, що використовує тепло шарів землі, що лежать на глибині кількох кілометрів. Це практично повсюдно поширений ресурс, але його витяг вимагає високих витрат, тому петротермальна енергетика розвивається насамперед найбільш економічно і технологічно потужних країнах.

Загалом, враховуючи повсюдне поширення геотермальних ресурсів та прийнятний рівень екологічної безпеки, є підстави припускати, що геотермальна енергетика має добрі перспективи розвитку. Особливо при наростанні загрози дефіциту традиційних енергоносіїв та зростанні цін на них.

Від Камчатки до Кавказу

У Росії її розвиток геотермальної енергетики має досить давню історію, і з низки позицій ми у світових лідерів, хоча у загальному енергобалансі величезної країни частка геотермальної енергії поки мізерно мала.

Піонерами та центрами розвитку геотермальної енергетики в Росії стали два регіони - Камчатка та Північний Кавказ, причому якщо в першому випадку йдеться насамперед про електроенергетику, то у другому - про використання теплової енергії термальної води.

На Північному Кавказі - Краснодарському краї, Чечні, Дагестані - тепло термальних вод для енергетичних цілей використовувалося ще до Великої Вітчизняної війни. У 1980-1990-ті роки розвиток геотермальної енергетики в регіоні зі зрозумілих причин застопорився і поки стан стагнації не вийшов. Тим не менш, геотермальне водопостачання на Північному Кавказі забезпечує теплом близько 500 тис. осіб, а, наприклад, місто Лабінськ в Краснодарському краї з населенням 60 тис. осіб повністю опалюється за рахунок геотермальних вод.

На Камчатці історія геотермальної енергетики пов'язана насамперед із будівництвом ГеоЕС. Перші з них, які досі працюють Паужетська та Паратунська станції, були побудовані ще в 1965–1967 роках, при цьому Паратунська ГеоЕС потужністю 600 кВт стала першою станцією у світі з бінарним циклом. Це була розробка радянських вчених С. С. Кутателадзе та А. М. Розенфельда з Інституту теплофізики СО РАН, які отримали в 1965 авторське свідоцтво на вилучення електроенергії з води з температурою від 70 °C. Ця технологія згодом стала прототипом понад 400 бінарних ГеоЕС у світі.

Потужність Паужетської ГеоЕС, введеної в експлуатацію у 1966 році, спочатку становила 5 МВт і згодом була нарощена до 12 МВт. В даний час на станції йде будівництво бінарного блоку, який збільшить її потужність ще на 2,5 МВт.

Розвиток геотермальної енергетики СРСР і Росії гальмувалося доступністю традиційних енергоносіїв - нафти, газу, вугілля, але ніколи не припинялося. Найбільші на даний момент об'єкти геотермальної енергетики – Верхньо-Мутнівська ГеоЕС із сумарною потужністю енергоблоків 12 МВт, введена в експлуатацію у 1999 році, та Мутнівська ГеоЕС потужністю 50 МВт (2002 рік).

Мутнівська та Верхньо-Мутнівська ГеоЕС – унікальні об'єкти не тільки для Росії, а й у світовому масштабі. Станції розташовані біля підніжжя вулкана Мутновський, на висоті 800 метрів над рівнем моря, і працюють у екстремальних кліматичних умовах, де 9–10 місяців на рік зима. Обладнання Мутновських ГеоЕС, на даний момент одне із найсучасніших у світі, повністю створене на вітчизняних підприємствах енергетичного машинобудування.

В даний час частка Мутновських станцій у загальній структурі енергоспоживання Центрально-Камчатського енергетичного вузла становить 40%. Найближчими роками планується збільшення потужності.

Окремо слід сказати про російські петротермальні розробки. Великих ПЦС у нас поки що немає, проте є передові технології буріння на велику глибину (близько 10 км), які також не мають аналогів у світі. Їхній подальший розвиток дозволить кардинально знизити витрати на створення петротермальних систем. Розробники даних технологій та проектів – Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторський (Геологічний інститут РАН), А. С. Некрасов (Інститут народногосподарського прогнозування РАН) та фахівці Калузького турбінного заводу. Наразі проект петротермальної циркуляційної системи в Росії знаходиться на експериментальній стадії.

Перспективи геотермальної енергетики в Росії є, хоча й порівняно віддалені: на даний момент досить великий потенціал і сильні позиції традиційної енергетики. Водночас у низці віддалених районів країни використання геотермальної енергії економічно вигідне та затребуване вже зараз. Це території з високим геоенергетичним потенціалом (Чукотка, Камчатка, Курили – російська частина Тихоокеанського «вогняного поясу Землі», гори Південного Сибіру та Кавказ) і водночас віддалені та відрізані від централізованого енергопостачання.

Ймовірно, найближчими десятиліттями геотермальна енергетика в нашій країні розвиватиметься саме в таких регіонах.

Кирило Дегтярьов,
науковий співробітник МДУ ім. М. В. Ломоносова
«Наука та життя» №9, №10 2013

Термін "геотермальна енергія" походить від грецького слова земля (гео) та тепловий (термальний). По суті, геотермальна енергія виходить із самої землі. Тепло від ядра землі, температура якого в середньому становить 3600 градусів за Цельсієм, випромінюється у бік поверхні планети.

Обігрів джерел і гейзерів під землею на глибині в кілька кілометрів може здійснюватися за допомогою спеціальних свердловин, через які надходить гаряча вода (або пара від неї) до поверхні, де вона може використовуватися безпосередньо як тепло або опосередковано для вироблення електроенергії шляхом включення турбін, що обертаються.

Оскільки вода під поверхнею землі постійно поповнюється, а ядро Землі продовжуватиме виробляти тепло щодо людського життя нескінченно, геотермальна енергія, зрештою, чиста та відновлювана.

Методи збирання енергетичних ресурсів Землі

Сьогодні є три основні методи збирання геотермальної енергії: суха пара, гаряча вода та бінарний цикл. Процес із сухою парою прямо обертає приводи турбін генераторів електроенергії. Гаряча вода надходить знизу нагору, потім розпорошується в бак, щоб створити пару для приводу турбін. Ці два методи є найбільш поширеними, генеруючи сотні мегават електроенергії в США, Ісландії, Європі, Росії та інших країнах. Але розташування обмежене, оскільки ці заводи працюють лише в тектонічних регіонах, де легше отримати доступ до підігрітої води.

За технології бінарного циклу витягується на поверхню тепла (не обов'язково гаряча) вода і поєднують її з бутаном або пентаном, який має низьку температуру кипіння. Ця рідина перекачується через теплообмінник, де випаровується і прямує через турбіну перед рециркуляцією у систему. Технології бінарного циклу дає десятки мегават електроенергії в США: Каліфорнії, Неваді та на Гавайських островах.

Принцип отримання енергії

Недоліки одержання геотермальної енергії

На рівні корисності, геотермальні електростанції є дорогими, щоб побудувати та працювати. Для пошуку потрібного місця потрібне дороге обстеження свердловин без гарантії потрапляння в продуктивну гарячу підземну точку. Тим не менш, аналітики очікують збільшення цієї потужності майже вдвічі протягом наступних шести років.

Крім того, райони з високою температурою підземного джерела знаходяться в районах з активними геологохімічними вулканами. Ці «гарячі крапки» утворилися на межах тектонічних плит у місцях, де кора досить тонка. Тихоокеанський регіон часто називають як кільце вогню для багатьох вулканів, де є багато гарячих точок, у тому числі на Алясці, Каліфорнії та Орегоні. Невада має сотні гарячих точок, що охоплюють більшу частину північної частини США.

Є й інші сейсмічно активні райони. Землетруси та рух магми дозволяють воді циркулювати. У деяких місцях вода піднімається до поверхні і природні гарячі джерела і гейзери відбуваються, такі як Камчатка. Вода в гейзерах Камчатки досягає 95 °C.

Однією з проблем відкритої системи гейзерів є виділення деяких забруднювачів повітря. Сульфід водню – токсичний газ з дуже впізнаваним запахом «тухлого яйця» – невелика кількість миш'яку та мінералів, випущених із парою. Сіль також може становити екологічну проблему.

На геотермальних електростанціях розташованих у морі значна кількість солі, що заважає, накопичується в трубах. У замкнутих системах немає викидів та повертається вся рідина доведена до поверхні.

Економічний потенціал енергоресурсу

Сейсмічно активні точки є єдиними місцями, де можна знайти геотермальну енергію. Існує постійний запас корисного тепла для прямого нагріву на глибині скрізь від 4 метрів до декількох кілометрів нижче поверхні практично в будь-якому місці на землі. Навіть земля на власному задньому дворі чи місцевій школі має економічний потенціал у вигляді тепла, щоб видавати до будинку чи інших будівель.

Крім того, існує величезна кількість теплової енергії в сухих скельних утвореннях дуже глибоко під поверхнею (4 – 10 км).

Використання нової технології може розширити геотермальні системи, де люди зможуть використовувати це тепло для виробництва електроенергії у значно більшому масштабі, ніж звичайні технології. Перші демонстраційні проекти цього принципу отримання електрики показані у Сполучених Штатах та Австралії ще у 2013 році.

Якщо повний економічний потенціал геотермальних ресурсів може бути реалізований, це представлятиме величезне джерело електроенергії для виробничих потужностей. Вчені припускають, що звичайні геотермальні джерела мають потенціал 38000 МВт, який може виробляти 380 млн МВт електроенергії на рік.

Гарячі сухі породи залягають на глибинах від 5 до 8 км. скрізь під землею і на меншій глибині в певних місцях. Доступ до цих ресурсів передбачає введення холодної води, що циркулює через гарячі скельні породи та відведення нагрітої води. Нині немає комерційного застосування цієї технології. Існуючі технології поки що не дозволяють відновлювати теплову енергію безпосередньо з магми, дуже глибоко, але це найпотужніший ресурс геотермальної енергії.

З комбінацією енергоресурсів та її послідовності геотермальна енергія може відігравати незамінну роль як чистіша, стійкіша енергетична система.

Конструкції геотермальних електростанцій

Геотермальна енергія – це чисте та стійке тепло від Землі. Великі ресурси знаходяться в діапазоні за кілька кілометрів під поверхнею землі, і ще глибше, до високої температури розплавленої породи, яка називається магмою. Але як описано вище, люди поки не дісталися до магми.

Три конструкції геотермальних електростанцій

Технологія застосування визначається ресурсом. Якщо вода надходить із свердловини як пара, вона може використовуватись безпосередньо. Якщо гаряча вода досить високої температури, вона повинна пройти через теплообмінник.

Перша свердловина для енергії була пробурена до 1924 року. Глибокіші свердловини були пробурені в 1950-х, але реальний розвиток відбувається в 1970-х і 1980-х років.

Пряме використання геотермального тепла

Геотермальні джерела можуть використовуватися безпосередньо для цілей опалення. Гаряча вода використовується для обігріву будівель, вирощування рослин у теплицях, сушіння риби та сільськогосподарських культур, покращення видобутку нафти, допомоги у промислових процесах як пастеризатори молока та обігрів води на рибних фермах. У США Кламат-Фолс, Орегон і Бойсе, Айдахо геотермальна вода використовується для обігріву будинків і будівель більше століття. На східному узбережжі, місто Уорм-Спрінгс, Вірджинія одержує тепло безпосередньо з джерельної води, використовуючи джерела тепла на одному з місцевих курортів.

В Ісландії практично кожна будівля в країні нагрівається гарячою джерельною водою. Насправді Ісландія отримує понад 50 відсотків первинної енергії з геотермальних джерел. У Рейк'явіку, наприклад, (населення 118 тис. чол), гаряча вода передається конвеєром на 25 кілометрів, і жителі використовують її для опалення та природних потреб.

Нова Зеландія отримує 10% своєї електроенергії додатково. перебуває у недостатньому розвитку, попри наявність термальних вод.

Зворотна величина - геотермічний ступінь або інтервал глибин, на якому температура підвищується на 1°C.

Старий принцип на новому джерелі

Застосування тієї чи іншої схеми залежить від агрегатного стану та температури енергоносія.

Подарунок лорда Кельвіна

Екокоректна енергетика

Чим енергія Землі?

Форварди геотермальної енергетики

Від Камчатки до Кавказу

Ця енергія відноситься до альтернативних джерел. У наші дні все частіше згадують можливості отримання ресурсів, які дарує нам планета. Можна сказати, що ми живемо в епоху моди на відновлювану енергетику. Створюється безліч технічних рішень, планів, теорій у цій галузі.

Він знаходиться глибоко в земляних надрах і має властивості відновлення, тобто він нескінченний. Класичні ресурси, за даними вчених, починають закінчуватися, вичерпається нафта, вугілля, газ.

Несьявеллір ГеоТЕС, Ісландія

Тому можна поступово готуватися використовувати нові альтернативні методи видобутку енергії. Під земною корою знаходиться ядро. Його температура становить від 3000 до 6000 градусів. Переміщення літосферних плит демонструє його величезну силу. Вона проявляється у вигляді вулканічного виплескування магми. У надрах відбувається радіоактивний розпад, що спонукає іноді до таких природних катаклізмів.

Зазвичай магма нагріває поверхню, не виходячи за її межі. Так виходять гейзери чи теплі басейни води. Таким чином, можна використовувати фізичні процеси у потрібних цілях для людства.

Види джерел геотермальної енергії

Її прийнято розділяти на два види: гідротермальну та петротермальну енергію. Перший утворюється за рахунок теплих джерел, а другий тип – це різниця температур на поверхні та у глибині землі. Пояснюючи своїми словами, гідротермальне джерело складається з пари та гарячої води, а петротермальний захований глибоко під ґрунтом.

Карта потенціалу розвитку геотермальної енергетики у світі

Для петротермальної енергії необхідно пробурити дві свердловини, одну наповнити водою, після чого відбудеться процес ширяння, який вийде на поверхню. Існує три класи геотермальних районів:

Геотермальний – розташований поблизу континентальних плит. Градієнт температури понад 80С/км. Як приклад, італійська комуна Лардерелло. Там розміщено електростанцію
Напівтермальний – температура 40 – 80 С/км. Це природні водоносні пласти, що складаються з подрібнених порід. У деяких місцях Франції обігріваються у такий спосіб будівлі
Нормальний – градієнт менше ніж 40 С/км. Представництво таких районів найбільш поширене

Вони є відмінним джерелом споживання. Вони знаходяться у гірській породі, на певній глибині. Докладніше розглянемо класифікацію:

Епітермальні – температура від 50 до 90 с
Мезотермальні – 100 – 120 с
Гіпотермальні – понад 200 с

Ці види складаються з різного хімічного складу. Залежно від нього можна використовувати води для різних цілей. Наприклад, у виробництві електроенергії, теплозабезпеченні (теплові траси), сировинній базі.

Відео: Геотермальна енергія

Процес теплопостачання

Температура води 50-60 градусів, є оптимальною для опалення та гарячого постачання житлового масиву. Потреба в опалювальних системах залежить від географічного розташування та кліматичних умов. А потреб ГВС люди потребують постійно. Для цього процесу споруджуються ГТС (геотермальні теплові станції).

Якщо для класичного виробництва теплової енергії використовується котельня, що споживає тверде або газове паливо, то при даному виробництві використовується джерело гейзера. Технічний процес дуже простий, ті ж комунікації, теплові траси та обладнання. Достатньо пробурити свердловину, очистити її від газів, далі насосами направити в котельню, де підтримуватиметься температурний графік, а потім вона потрапить у теплотрасу.

Головна відмінність у тому, що немає необхідності використовувати паливний котлоагрегат. Це значно знижує собівартість теплової енергії. Взимку абоненти отримують тепло та гаряче водопостачання, а влітку лише ГВП.

Виробництво електроенергії

Гарячі джерела, гейзери є основним компонентами у виробництві електрики. Для цього застосовується кілька схем, споруджуються спеціальні електростанції. Пристрій ГТС:

Бак ГВП
Насос
Газовідділювач
Паросепаратор
Генеруюча турбіна
Конденсатор
Підвищувальний насос
Бак – охолоджувач

Як бачимо основним елементом схеми, є паровий перетворювач. Це дозволяє отримувати очищену пару, тому що в ній містяться кислоти, що руйнують обладнання турбін. Існує можливість застосування змішаної схеми в технологічному циклі, тобто вода та пара беруть участь у процесі. Рідина проходить усю стадію очищення від газів, як і пар.

Схема з бінарним джерелом

Робочим компонентом є рідина із низькою температурою кипіння. Термальна вода також бере участь у виробництві електроенергії та служить другорядною сировиною.

З її допомогою утворюється пара низькокиплячого джерела. ГТС з таким циклом роботи можуть бути повністю автоматизовані та не вимагати наявності обслуговуючого персоналу. Більш потужні станції використовують двоконтурну схему. Такий вид електростанцій дозволяє виходити потужність 10 МВт. Двоконтурна структура:

Паровий генератор
Турбіна
Конденсатор
Ежектор
Поживний насос
Економайзер
Випарник

Практичне застосування

Великі запаси джерел у багато разів перевершують щорічне споживання енергії. Але лише мала частка використовується людством. Будівництво станцій датовано 1916 роком. В Італії було створено першу ГеоТЕС потужністю 7,5 МВт. Галузь активно розвивається у таких країнах як: США, Ісландія, Японія, Філіппіни, Італія.

Ведуться активні вивчення потенційних місць та зручніші методи добування. Рік у рік зростає виробнича потужність. Якщо брати до уваги економічний показник, то собівартість такої галузі дорівнює вугільним ТЕС. Ісландія практично повністю покриває комунально-житловий фонд ГТ-джерелом. 80% будинків для опалення використовують гарячу воду із свердловин. Експерти зі США стверджують, що за належного розвитку ГеоТЕС можуть виробити в 30 разів більше щорічного споживання. Якщо говорити про потенціал, то 39 країн світу зможуть повністю забезпечити себе електроенергією, якщо на 100 відсотків використовують надра землі.

Д.т.н. Н.А. Гнатусь, професоре,
академік Російської академії технологічних наук, м. Москва

В останні десятиліття у світі розглядається напрямок більш ефективного використання енергії глибинного тепла Землі з метою часткової заміни газу, нафти, вугілля. Це стане можливим не тільки в районах з високими геотермальними параметрами, а й у будь-яких районах земної кулі при бурінні нагнітальних та експлуатаційних свердловин та створення між ними циркуляційних систем.

Зростаючий останні десятиліття у світі інтерес до альтернативних джерел енергії викликаний виснаженням запасів вуглеводневого палива та необхідністю вирішення низки екологічних проблем. Об'єктивні фактори (резерви викопного палива та урану, а також зміна середовища, викликані традиційною вогневою та атомною енергетикою) дозволяють стверджувати, що перехід до нових способів та форм одержання енергії є неминучим.

Світова економіка нині взяла курс на перехід до раціонального поєднання традиційних та нових джерел енергії. Тепло Землі посідає серед них одне з перших місць.

Ресурси геотермальної енергії поділяються на гідрогеологічні та петрогеотермальні. Перші з них представлені теплоносіями (становлять лише 1% від загальних ресурсів геотермальної енергії) – підземними водами, парою та пароводяними сумішами. Другі є геотермальну енергію, що міститься в розпечених гірських породах.

Застосовувана в нашій країні і за кордоном фонтанна технологія (самовилив) видобутку природної пари та геотермальних вод проста, але неефективна. При малому дебіті свердловин, що самовиливаються, їх теплопродукція може окупити витрати на буріння лише при невеликій глибині геотермальних колекторів з високою температурою в районах термоаномалій. Термін служби таких свердловин у багатьох країнах не сягає 10 років.

У той же час досвід підтверджує, що за наявності неглибоких колекторів природної пари будівництво ГеоТЕС є найбільш вигідним варіантом використання геотермальної енергії. Експлуатація таких ГеоТЕС показала їхню конкурентоспроможність порівняно з іншими типами енергоустановок. Тому використання запасів геотермальних вод і парогідротерм у нашій країні на півострові Камчатка і на островах Курильської гряди, в регіонах Північного Кавказу, а також можливе і в інших районах доцільно та своєчасно. Але родовища пари – рідкість, її відомі та прогнозні запаси невеликі. Набагато поширені родовища теплоенергетичних вод які завжди розташовані досить близько від споживача -об'єкта теплопостачання. Це виключає можливість великих масштабів їхнього ефективного використання.

Нерідко у складну проблему переростають питання боротьби із солеотложением. Використання геотермальних, як правило, мінералізованих джерел як теплоносія призводить до заростання свердловинних зон оксидом заліза, карбонатом кальцію та силікатними утвореннями. Крім того, проблеми ерозії-корозії та солевідкладень негативно відбиваються на роботі обладнання. Проблемою також стає скидання мінералізованих і містять токсичні домішки відпрацьованих вод. Тому найпростіша фонтанна технологія не може бути основою широкого освоєння геотермальних ресурсів.

За попередніми оцінками на території Російської Федерації прогнозні запаси термальних вод з температурою 40-250 ОС, мінералізацією 35-200 г/л і глибиною залягання до 3000 м становлять 21-22 млн м3/добу, що еквівалентно спалюванню 30-40 млн т у .т. на рік.

Прогнозні запаси пароповітряної суміші з температурою 150-250 ОС півострова Камчатка та Курильських островів складає 500 тис. м3/добу. та запаси термальних вод з температурою 40-100 ОС - 150 тис. м3/добу.

Першочерговими для освоєння вважаються запаси термальних вод з дебітом близько 8 млн. м3/добу, з мінералізацією до 10 г/л і температурою понад 50 ОС.

Набагато більше значення для енергетики майбутнього має отримання теплової енергії, практично невичерпних, петрогеотермальних ресурсів. Ця геотермальна енергія, укладена у твердих гарячих породах, становить 99% від загальних ресурсів підземної теплової енергії. На глибині до 4-6 км масиви з температурою 300-400 ОС можна зустріти лише поблизу проміжних вогнищ деяких вулканів, але гарячі породи з температурою 100-150 ОС поширені цих глибинах майже повсюдно, і з температурою 180-200 ОС досить значної території Росії.

Протягом мільярдів років ядерні, гравітаційні та інші процеси всередині Землі генерували та генерують теплову енергію. Деяка її частка випромінюється у космічний простір, а теплота акумулюється на надрах, тобто. тепломіст твердої, рідкої та газоподібної фаз земної речовини і називається геотермальною енергією.

Безперервна генерація внутрішньоземного тепла компенсує його зовнішні втрати, є джерелом накопичення геотермальної енергії та визначає відновлювану частину її ресурсів. Загальний винос тепла надр до земної поверхні втричі перевищує сучасну потужність енергоустановок світу та оцінюється у 30 ТВт.

Однак очевидно, що відновлюваність має значення лише для обмежених природних ресурсів, а загальний потенціал геотермальної енергії є практично невичерпним, оскільки його слід визначати як загальну кількість теплоти, яку має Земля.

Невипадково, останні десятиліття, у світі розглядається напрям більш ефективного використання енергії глибинного тепла Землі з метою часткової заміни газу, нафти, вугілля. Це стане можливим не тільки в районах з високими геотермальними параметрами, а й у будь-яких районах земної кулі при бурінні нагнітальних та експлуатаційних свердловин та створення між ними циркуляційних систем.

Зрозуміло, що при низькій теплопровідності порід для ефективної роботи циркуляційних систем необхідно мати або створити в зоні відбору тепла досить розвинену теплообмінну поверхню. Такою поверхнею володіють пористі пласти і зони природної тріщиностійкості, що нерідко зустрічаються на зазначених вище глибинах, проникність яких дозволяє організувати примусову фільтрацію теплоносія з ефективним вилученням енергії гірських порід, а також штучного створення великої теплообмінної поверхні в слабопроникних пористих масивах методом гідророзриву.

В даний час гідророзрив застосовується в нафтогазовій промисловості як спосіб підвищення проникності пластів підвищення нафтовіддачі при розробці нафтових родовищ. Сучасна технологія дозволяє створювати вузьку, але довгу тріщину, або коротку, але широку. Відомі приклади гідророзривів із тріщинами протяжністю до 2-3 км.

Вітчизняна ідея вилучення основних геотермальних ресурсів, укладених у твердих породах, була висловлена ще 1914 р. К.Е.Ціолковським, а 1920 р. геотермальна циркуляційна система (ГЦС) у гарячому гранітному масиві описана В.А. Обручовим.

У 1963 р. у Парижі було створено першу ГЦС вилучення тепла порід пористих пластів для опалення та кондиціонування повітря у приміщеннях комплексу «Бродкастін Хаос». У 1985 р. у Франції працювало вже 64 ГЦС загальною тепловою потужністю 450 МВт за річної економії приблизно 150 тис. т нафти. У тому ж році перша подібна ГЦС була створена в СРСР у Ханкальській долині біля Грозного.

У 1977 р. за проектом Лос-Аламоської національної лабораторії США почалися випробування досвідченої ГЦС із гідророзривом практично непроникного масиву на ділянці Фен-тон Хілл у штаті Нью-Мехіко. Нагнітана через свердловину холодна прісна вода нагрівалася за рахунок теплообміну з масивом гірських порід (185 ОС) у вертикальній тріщині площею 8000 м2, утвореної гідророзвивом на глибині 2,7 км. По іншій свердловині (експлуатаційна), що також перетинає цю тріщину, перегріта вода виходила на поверхню у вигляді струменя пари. При циркуляції у замкнутому контурі під тиском температура перегрітої води лежить на поверхні досягала 160-180 ОС, а теплова потужність системи - 4-5 МВт. Витоку теплоносія в навколишній масив становили близько 1% загальної витрати. Концентрація механічних та хімічних домішок (до 0,2 г/л) відповідала кондиціям прісної питної води. Тріщина гідророзриву не вимагала кріплення та підтримувалася у розкритому стані гідростатичним тиском рідини. Вільна конвекція, що розвивається в ній, забезпечувала ефективну участь у теплообміні практично всієї поверхні оголення гарячого породного масиву.

Вилучення підземної теплової енергії гарячих непроникних порід, на основі освоєних і давно практикованих у нафтогазовій промисловості методів похилого буріння та гідророзриву не викликали сейсмічної активності, жодних інших шкідливих впливів на навколишнє середовище.

У 1983 р. англійські вчені повторили американський досвід, створивши експериментальну ГЦС із гідророзривом гранітів у Карнуеллі. Аналогічні роботи проводились у Німеччині, Швеції. У США здійснено понад 224 проекти геотермального теплопостачання. При цьому допускається, що геотермальні ресурси можуть забезпечити основну частину перспективних потреб США в тепловій енергії для неелектричних потреб. У Японії потужність ГеоТЕС 2000 р. досягла орієнтовно 50 ГВт.

Нині дослідження та розвідка геотермальних ресурсів ведеться у 65 країнах. У світі на основі геотермальної енергії створено станції загальною потужністю близько 10 ГВт. Активну підтримку освоєння геотермальної енергії надає ООН.

Накопичений у багатьох країнах світу досвід використання геотермальних теплоносіїв показує, що в сприятливих умовах вони виявляються в 2-5 разів вигіднішими за теплові та атомні енергоустановки. Розрахунки показують, що протягом року одна геотермальна свердловина може забезпечити заміщення 158 тис. т вугілля.

Таким чином, тепло Землі є, мабуть, єдиним великим, енергоресурсом, що заповнюється, раціональне освоєння якого обіцяє здешевлення енергії в порівнянні з сучасною паливною енергетикою. При такому ж невичерпному енергетичному потенціалі сонячні та термоядерні установки, на жаль, будуть дорожчими за існуючі паливні.

Незважаючи на тривалу історію освоєння тепла Землі, сьогодні геотермальна технологія ще не досягла свого високого розвитку. Освоєння теплової енергії Землі зазнає великих труднощів при будівництві глибоких свердловин, що є каналом для виведення теплоносія на поверхню. У зв'язку з високою температурою на вибої (200-250 ОС) традиційні породоруйнуючі інструменти малопридатні для роботи в таких умовах, пред'являються особливі вимоги до вибору бурильних та обсадних труб, цементних розчинів, технології буріння, кріплення та закінчення свердловин. Вітчизняна вимірювальна техніка, серійна експлуатаційна арматура та обладнання випускаються у виконанні, що допускає температуру не вище 150-200 ОС. Традиційне глибоке механічне буріння свердловин часом затягується роками і потребує значних фінансових витрат. У основних виробничих фондах вартість свердловин становить від 70 до 90%. Вирішити цю проблему можна і лише шляхом створення прогресивної технології розробки основної частини геотермальних ресурсів, тобто. вилучення енергії гарячих порід.

Проблемою вилучення та використання невичерпної, поповнюваної глибинної теплової енергії гарячих порід Землі біля Російської Федерації наша група російських учених і фахівців займається не один рік. Мета роботи – створення на основі вітчизняних, високих технологій технічних засобів для глибокого проникнення у надра земної кори. В даний час розроблено кілька варіантів бурових снарядів (БС), аналогів яким у світовій практиці немає.

Робота першого варіанта БС пов'язана з традиційною технологією буріння свердловин, що діє. Швидкість буріння твердих порід (середня густина 2500-3300 кг/м3) до 30 м/год, діаметр свердловини 200-500 мм. Другий варіант БС здійснює буріння свердловин в автономному та автоматичному режимі. Запуск здійснюється зі спеціальної пуско-приймальної платформи, з якої ведеться керування його рухом. Одну тисячу метрів БС у твердих породах зможе пройти протягом кількох годин. Діаметр свердловини від 500 до 1000 мм. Варіанти БС багаторазового використання мають велику економічну ефективність і величезне потенційне значення. Впровадження БС у виробництво дозволить відкрити новий етап у будівництві свердловин та забезпечити доступ до отримання невичерпних джерел теплової енергії Землі.

Для потреб теплопостачання необхідна глибина свердловин по всій території країни лежить у межах до 3-4,5 тис. м і не перевищує 5-6 тис. м. Температура теплоносія для житлово-комунального теплопостачання не виходить за межі 150 ОС. Для промислових об'єктів температура, зазвичай, вбирається у 180-200 ОС.

Мета створення ГЦС - забезпечення постійним, доступним, дешевим теплом віддалених, важкодоступних і освоєних районів РФ. Тривалість експлуатації ГЦС – 25-30 років і більше. Термін окупності станцій (з урахуванням новітніх технологій буріння) – 3-4 роки.

Створення в Російській Федерації найближчими роками відповідних потужностей з використання геотермальної енергії для неелектричних потреб дозволить замінити близько 600 млн т у. Економія може становити до 2 трлн крб.

У термін до 2030 р. з'являється можливість створення енергетичних потужностей із заміни вогневої енергетики до 30%, а до 2040 р. майже повністю виключити органічну сировину як паливо з енергетичного балансу Російської Федерації.

Література

1. Гончаров С.А. Термодинаміка. М: МДТУім. н.е. Баумана, 2002. 440 с.

2. Дядькін Ю.Д. та ін Геотермальна теплофізика. С-Пб.: Наука, 1993. 255 з.

3. Мінерально-сировинна база паливно-енергетичного комплексу Росії. Стан та прогноз / В. К. Бранчугов, Є.А. Гаврилов, В.С. Литвиненко та ін. За ред. В.З. Гаріпова, Є.А. Козловського. М. 2004. 548 с.

4. Новіков Г. П. та ін. Буріння свердловин на термальні води. М.: Надра, 1986. 229 с.