geoterma

Геотермальные технологии в энергетике

Лев Абрамович ПЕВЗНЕР, доктор геолого-минералогических наук, академик РАЕН

Солнце, ветер, море наполнят нас энергиейЧеловечество стремительно “пожирает” энергетические ресурсы планеты, и всё актуальнее становится вопрос – чем мы будем завтра отапливаться, за счёт чего получать электроэнергию? И всё чаще приходим к выводу – как ни крути, а придётся шире использовать энергию атома, хоть и опасно это…

Между тем дешёвый, почти бесплатный, не зависящий ни от капризов погоды, ни от сезона источник энергии – у нас под ногами… О сущности и перспективах геотермальной энергетики рассказывает Лев Абрамович ПЕВЗНЕР, доктор геолого-минералогических наук, академик РАЕН, заместитель генерального директора ФГУП НПЦ “Недра” МПР России.

– Лев Абрамович, это правда, что геотермальная энергия – самая-самая: самая дешёвая, самая экологичная, самая надёжная?- На протяжении своей истории человечество использовало разные виды топлива. Когда-то это были дрова, затем настала эра угля, который затем вытеснила нефть. Но время “жизни” нефти как основного энергоносителя оказалось довольно коротким: её активное использование датируется началом ХХ века, а сегодня мы уже уверенно прогнозируем скорое снижение (в процентном отношении) её потребления по причине истощения во всём мире легкодоступных запасов этого энергоносителя. Сегодняшний день можно назвать золотым веком газа – но продлится этот золотой век, по предварительным оценкам, лет пятьдесят. Россия, конечно, здесь находится на особом положении, поскольку нам принадлежат 13% мировых запасов традиционных энергоносителей, а населения у нас при этом сравнительно немного. Но это преимущество становится иллюзорным, если учесть, что продажа энергоресурсов утвердилась как основная статья нашего экспорта. Что остаётся? Гидроэнергетика?

Но ГЭС в настоящее время уже построены везде, где их можно было построить, так что хотя энергия водного потока и не истощается с годами, увеличение её потребления практически невозможно.По прогнозам корпорации “Шелл”, в середине нашего века все вышеназванные источники, вместе взятые, смогут удовлетворить лишь 60% от необходимого уровня энергопотребления. Откуда же мы возьмём остальное? Ядерная энергия – это отдельная тема. При всех её плюсах, при всех мерах предосторожности всё равно это высокая степень риска, и никогда люди не пойдут с лёгким сердцем на такой риск.Значит, остаются нам солнце, ветер, геотермия, биомасса и ещё некоторые “экзотические” источники типа энергии приливных волн. Однако, если посмотрим внимательнее, мы увидим, что на самом деле единственные неистощимые источники энергии – это солнце (чьё тепло вызывает как перемещение воздушных масс – ветер, так и процесс фотосинтеза (накопление биомассы) и энергия орбитального движения, ведущая к трению внутри Земли и образованию внутреннего потока тепла (хотя она не является его единственной причиной: ведь 40% приходящего на Землю солнечного излучения непосредственно аккумулируется литосферой, также участвуя в формировании внутреннего потока тепла).Таким образом, солнечные батареи и приливные электростанции – суть попытки поймать непосредственно потоки двух основных энергий.

Но нужно ли нам “бегать за ними с ладошкой”, если мы имеем столь могучий и надёжный аккумулятор этих энергий, как сама наша планета? С аккумулятором работать выгоднее и проще, это даже на бытовом уровне любой подтвердит.Про ветряки и солнечную энергию много говорят, а на самом деле уже сегодня в структуре реального мирового использования возобновляемых источников для получения электроэнергии 80% составляет геотермия, около18% – ветер, 1% – приливы и ещё 1% – всё остальное. По нашим оценкам, запас геотермальной энергии в России равен величине всего нашего энергопотребления, включая всё, от угольных котельных до атомных электростанций.

– То есть мы можем полностью покрыть все свои потребности за счёт геотермии?- Не “можем”, а “могли бы”, поскольку есть существенная разница между получением тепловой и получением электрической энергии. Особенности геотермальных полей российской территории диктуют преимущественное их использование для получения тепловой энергии. И мы к этому неизбежно придём, ибо разные специалисты (и даже те, что разрабатывали энергетическую стратегию России) сходятся в прогнозах на том, что, если сегодня мы добываем 350 миллионов тонн нефти ежегодно, то в ближайшем будущем будем добывать 200 миллионов тонн, а потребность страны за 100 лет удвоится.- Удвоится – при сегодняшней-то демографической ситуации?- Ситуация изменится. Такие периоды в истории приходят и проходят, а жизнь не останавливается. Так вот если нарисовать две кривые – добычи нефти и роста потребности в ней, то они перекрещиваются уже на отметке “2020 год”. Оговорюсь: причина здесь не ресурсная, а инвестиционная.

– Никто не хочет вкладывать деньги в геологоразведку, зато все хотят торговать ранее разведанной нефтью… Об этом наша газета много писала.- Вот в силу этих причин при всех своих природных богатствах Россия оказывается в том же положении, что и весь остальной мир. Разведанные запасы тают… С газом получше – здесь мы попадаем в такую же “вилку” примерно к 2050 году. Но вилка страшная: нуждаться будем в миллиарде, а добывать сможем только 300 миллионов. Вот поэтому нам необходимо заниматься геотермальной энергетикой. Не ветром, не солнцем, не приливами, а геотермальной энергией, поскольку её запасы на порядок больше, а их преобразование на порядок легче и эффективнее.

Давайте посмотрим, как распределяется эта энергия. Во всех случаях за пределами тонкого поверхностного слоя температура с глубиной возрастает, и прирост её, как правило, составляет от 15 до 30°С на километр, для большей части российской территории характерен градиент 20°С на километр. Если мы откроем геотермический Атлас России (который вместе с Санкт-Петербургским горным институтом разрабатывали и мы), то увидим, что высокие температуры имеют место в рифтовых, сейсмически активных зонах. Вот поэтому-то на глубине один километр температура 80°С лишь на Байкале, на Кавказе и на Камчатке с Курилами. То есть даже в этих активных зонах рифтогенеза мы можем “работать” только на тепло, поскольку электропреобразования считаются выгодными начиная со 150°С. Оговорюсь сразу: есть другой способ – вместо воды использовать низкокипящую жидкость, и тогда для получения электроэнергии мы можем использовать парогенератор, скажем, при 80°С.- На глубине двух километров картина изменяется мало. И лишь на глубине пяти километров появляются обширные поля температур около 200°С , подходящие для электропреобразований, – но во что обойдётся бурение такой скважины?

– Отсюда следует, что в наших условиях мы должны стремиться не к тому, чтобы превратить глубинное тепло земли в электричество, а к тому, чтобы использовать его непосредственно как тепло. Конечно, и скважины на пять километров – отнюдь не утопия, просто надо совершенствовать технологию бурения и снижать его себестоимость; это – вопрос технологий. Но оставим это будущему, а пока подумаем о нуждах отопления – они в нашем климате весьма актуальны.Запас тепла в каждой конкретной точке зависит от двух характеристик: от теплоёмкости пород и от их температуры. Запасы тепла подсчитаны; наибольшая плотность геотермальной энергии имеет место на Кавказе, в дальневосточных регионах, Западной Сибири, Тимано-Печёрском регионе. В этих зонах аккумулировано на каждом квадратном метре (точнее, под каждым квадратным метром) количество тепловой энергии, адекватное восьми и более тоннам нефти. В других зонах – две-четыре тонны условного топлива.

– Но как Вы измеряете в тоннах то, что имеет постоянный приток? Тогда должна быть временная единица измерения?- Данное количество определяется без учёта притока, как состояние на данный момент, как то тепло, которое уже накоплено и которое можно черпать из недр, лишь бы была эффективная технология.- А есть такая?- Даже несколько. Самый простой способ: если слой высокой температуры совпадает с водоносным горизонтом, мы можем качать из него воду непосредственно в отопительные приборы. В наших бытовых отопительных батареях используется температура 90 на 40°С или 70 на 20°С (70 – “прямая вода”, 20 – “обратка”). Это – наша развратная экономика; весь мир работает 50 на 30°С.- У них теплее…

– Вовсе не в этом дело. Нужно лишь поменять форму отопительных приборов, и этого будет достаточно. Например, вариант “тёплого пола”: вам же не нужен под ногами пол температурой в 70°С? А на особо холодные периоды – неделя или месяц в году – можно создать так называемый пиковый догрев с использованием иных энергоносителей, но это же совсем другой расход топлива, это огромная экономия, ведь основное-то количество тепла – почти даровое.- И выбросов гораздо меньше, а то и вовсе нет…

– Да, экологическая чистота и безопасность – тоже немаловажное преимущество данной технологии. Итак, качаем из скважины термальную воду, забираем её тепло через любого типа теплообменник, а остывшую воду закачиваем рядом в другую такую же скважину, где она снова нагревается от вмещающих слоёв. Это самый простой вариант – использование гидротермальных ресурсов. Но подходящие условия имеются далеко не везде: ведь наиболее высокие температуры встречаются в рифтовых зонах, а водоносные слои – в осадочных породах старых материковых платформ. Значит, нужна иная технология.

Допустим, есть высокая температура, но нет водоносного горизонта. Что мешает нам сделать замкнутый цикл и прокачивать по кругу некий жидкий носитель, будь то вода или что-то иное? Выполнить такое устройство, конечно, сложнее, чем в первом варианте, но дальнейшая эксплуатация тоже достаточно эффективна.- А насколько всё-таки эффективна?- Мы подсчитали запасы тепла, которое может быть извлечено таким образом, относительно ряда крупных городов, и определили, на сколько лет хватит геотермических запасов тому или иному городу, с его количеством жителей, с его промышленностью, с его продолжительностью отопительного сезона и т.д. (при этом учитывали опять-таки уже накопленное тепло, без дополнительного притока – то есть минимум миниморум). Цифры получились такого порядка: для одних городов 500 лет, для других – 10 тысяч лет…- Вечность! Так почему же эта тема совершенно не звучит в Киотских договорённостях?- Там-то она как раз звучит – хотя бы Феррарская декларация, которая предусматривает установку миллиона систем с использованием геотермальной энергии. Только у нас в России эта тема не звучит…

– Почему?

– У нас энергией ведает Минэнерго России. Его интересы лежат в области электроэнергии, поэтому оно будет заниматься ветряками, малыми гидроэлектростанциями, чем хотите, но не геотермией – это просто не его тема. А когда мы обращаемся в МПР России, там вроде бы и понимают проблему, но – энергетические вопросы находятся в ведении Минэнерго России. Так что наша тема оказалась между двух стульев.- Сугубо российская беда – ведомственная разобщённость…- Да, хотя в моём понимании этот вопрос должен быть в ведении Министерства природных ресурсов, поскольку геотермика – это прежде всего природный ресурс. И величина этого ресурса по России – 1700·1012 – то есть триллионы тонн условного топлива. Эта цифра не идёт ни в какое сравнение с добычей нефти и газа. Но это запас в пятикилометровом слое, а “массовое” бурение на такую глубину – конечно же дело далёкого будущего. Поэтому подсчитали, а сколько же можно взять современными техническими средствами, развивая те циркуляционные технологии, о которых я говорил выше. По разным оценкам, для горячего водоснабжения и отопления эта цифра находится в пределах 30-50·1012 тонн условного топлива. А нашей стране на эти цели нужен 1 миллиард тонн условного топлива, то есть запасов хватит на тысячу лет.

– А за тысячу лет, надеюсь, научатся бурить глубже.

– Сейчас мы детализируем распределение запасов по отдельным регионам. По Центральному региону цифра скромнее прочих – 44 миллиарда тонн условного топлива, но ведь и этого более чем достаточно для решения всех проблем.- Особенно когда слышишь по телевизору, как зимой люди в квартирах замерзают, будто в окопах на войне… А может быть, нет возможности сделать капитальные вложения, ведь глубокую скважину бурить очень дорого?

– Действительно, даже для того, чтобы “достать” 40°С, надо бурить скважину на полтора километра. Но и скважина в километр глубиной – удовольствие дорогое! Однако есть способ извлечения геотермальной энергии даже при температуре 4-6°С – так называемые грунтовые тепловые насосы.- Я о них столько раз слышала и читала, но так и не поняла, как же они действуют. Может быть, Вы мне объясните?

– Вы представляете себе, что такое адиабатический процесс?

– Это когда при сжатии газа выделяется тепло…

– Правильно. Так вот, в тепловом насосе используется жидкость с очень низкой температурой кипения – фреон или что-то похожее. Через неё по змеевику проходит вода с температурой 4-6°С. Уже при этой температуре жидкость вскипает, полученный пар сдавливается компрессором, и 6° превращаются в 55, а то и в 80°С, в зависимости от конструкции насоса. Дальше тепло забирается при помощи теплообменника и направляется потребителю. Если этой температуры мало, возможна вторая ступень с другой жидкостью, и так далее. Можно в принципе достигнуть любых температур, но КПД при этом снижается.- И всего-то затрат, что электроэнергия для компрессора? Это же что получается, вечный двигатель, который черпает энергию из ничего?

– Не из ничего, а из тепловых запасов Земли. А КПД у нашего грунтового теплового насоса такой: если входящая вода имеет температуру 6°С, то на каждую единицу затраченной энергии получаем прибавку в 3 единицы. Если на входе 40°С, прибавка составит 8 единиц. То и другое выгодно по-своему: конечно, 8 больше, чем 3, но для этого нужно бурить глубокую скважину, а температуру в 4-6°С можно добыть и в верхнем слое. Так что в каждом конкретном случае нужно взвесить плюсы и минусы разных вариантов.

– И это всё реально? Это есть? Действует?

– Конечно! В Европе таких систем немало. Надо сказать, что интерес к геотермии носит волнообразный характер: подскакивает цена на нефть -популярнее становится геотермия. Падает цена на нефть – ну, соответственно… Однако в последнее время интерес стал более устойчивым, так как начали понимать, что дело не только в цене, возможна такая ситуация, когда ресурсов просто не будет, ни за какую цену.- А какова мощность, даваемая одной скважиной?

– Есть разные технологии. Можем извлечь 20 мВт – этого хватит на небольшой город. Можем 300, 500 кВт – то есть на большую школу или больничный комплекс. Конечно, и школа, и больница – учреждения бюджетные и скважину бурить не в состоянии в смысле финансов. Но если рядом есть старая, неиспользуемая скважина – приспособить её под эти цели несложно, и затраты окупятся самое большое за пять лет.

– Я знаю, что в Ярославской области в посёлке Филиппово за счёт геотермальной энергии отапливается школа. Там тоже “привязались” к старой скважине?

– Нет, там вариант грунтового теплового насоса. И, кстати, всё оборудование выполнялось отечественными производителями, в основном на “Рыбинских моторах”. Это один из первых наших проектов, он введён в строй три или четыре года назад. Но мне он не очень нравится.

– Почему?

– Избыточно сделан. Строили “с перехлёстом”, тепла получается больше, чем нужно, можно было всё сделать проще и дешевле.- Но мне говорили, что затраты были такие же, как на строительство газовой котельной, и что избыточное тепло будет передаваться в Дом культуры…

– Да, это так, но теперь мы уже научились делать лучшие проекты. На Ярославщине ведь не только в Филиппове используется геотермика. В селе Троица в феврале 2001 года геотермическая установка заменила плохонькую угольную котельную, хотя могли принять и стандартное решение – реконструкция котельной. В Переславле таким же образом отапливается станция водоснабжения – а раньше к ней тянулась пятикилометровая аварийная теплотрасса. Ну и так далее. Так что в нашей области уже заявила о себе “революция в энергетике”. Нужно сказать и то, что Ярославская область имеет более высокий фон запасов подземного тепла по сравнению с большинством областей Центрального региона, запасы тепла в ней оцениваются в 12 миллиардов тонн условного топлива.Но, честно говоря, обидно становится, когда вспомнишь, что в Америке, например, эта “революция” идёт со скоростью 300 тысяч новых установок в год…

– А американцам-то это зачем? У них и так кактусы растут!- Во-первых, кактусы в Америке растут не везде, во-вторых, за счёт геотермальной энергии они зимой подтапливают, а летом кондиционируют. Насос может работать в обе стороны. Суммарное потребление геотермической энергии в США составляет более 5 тыс. мВт, больше, чем в любой другой стране. В Новой Зеландии 21% общего производства энергии – геотермическое. Коста-Рика, нефтедобывающая страна, приняла решение об удовлетворении собственных потребностей за счёт геотермальной энергии, а нефть – на продажу. Чемпионом по плотности геотермальных систем является Швейцария, там их установлено порядка 40 тысяч, на такой небольшой площади. В Европе геотермика широко используется не только для отопления зданий, но и для обогрева теплиц (особенно в Венгрии), для систем растапливания снега, для бассейнов. Знаменитые лечебные ванны Баден-Бадена и Карловых Вар – это ведь тоже использование гидротермальных ресурсов, сразу двойная польза: и лечебный состав вод, и тепло независимо от сезона. А разве мы не могли бы у себя сделать что-то подобное? В Стокгольме теплообменник поместили просто в море и стригут себе 320 мВт… Разве Мурманск не мог бы сделать то же самое?

– А всё-таки – ну как Вам удаётся внедрять эту технологию, в наше-то время, когда никому ни до чего дела нет?..

– К счастью, администрации Ярославской области есть до этого дело. Без поддержки областной администрации, без заинтересованности местных властей – ничего бы мы не сделали. Так что сердечная благодарность всем – начиная от губернатора Анатолия Ивановича Лисицына и его заместителей и кончая рядовыми работниками. Хорошие начинания у них всегда поддержку находят.

 

Беседовала Ольга ШЕВЕЛЁВА