1 Апреля 2018

Геотермальная энергия - происхождение, гипотезы, виды и источники

Опубликовал К.В. Кулик

         Одним из видов энергии, относимых к альтернативной, является геотермальная энергия. Геотермальная энергия рождается в земных недрах и по поводу причин её происхождения существуют различные гипотезы. Одна из них утверждает, что её источником является тепло распада радиоактивных элементов, находящихся в толще земли. Другая гипотеза предполагает, что источником подземного тепла является перекачка энергии из ионизированных поясов атмосферы в жидкое ядро Земли. Ещё одна теория объясняет её происхождение физико-химическими и тектоническими процессами в глубине земной коры и лежащей под ней мантии.

         Достоверно то, что из глубины Земли, к поверхности, движется тепловой поток, который в среднем достигает 0,06 Вт/м2, и температура земных пород увеличивается от поверхности к глубине Земли. В разных местах нашей планеты, в зависимости от местных условий, от тектонической активности, от теплопроводности коры, изменение температуры бывает различным и характеризуется параметром, называемым геотермическим градиентом, или иначе, изменением температуры на 1 километр глубины. Этот параметр позволяет определить потенциальные возможности геотермического источника.

         Различают районы с изменением температуры по глубине, гипертермические (выше 80ОС/км), полутермические (40-80ОС/км) и нормальные (менее 40ОС/км). Для определения ресурса геотермического тепла применяется критерий количества теплоты, которое выделяется, если породы охладить до среднегодовой температуры поверхности, в данной местности с глубины от 3 до 10 километров, и этот критерий тем больше, чем с большей глубины извлекается тепло.

         Теплота является формой энергии, качество которой зависит от температуры. В этом смысле, геотермальная теплота не является качественной, у неё низкая температура и, соответственно, невысокий потенциал использования. Энергия в 1Дж полученная из геотермального источника, менее энергетически ценна, чем энергия в 1 Дж, полученная от сжигания углеводородов. Но огромные запасы этого вида тепла, стимулируют и предполагают создание технологий для его извлечения и использования.

       Источники геотермального тепла

         Существуют два вида источников геотермального тепла: гидротермальные (паротермальные) и петротермальные.

         Гидротермальные источники, это подземные объёмы горячей воды с температурой 300-350О°С. Они находятся в районах Земли с активной вулканической деятельностью. Таких районов не очень много, но, на сегодняшний день, наибольшее число используемых геотермальных источников, находятся именно в этих районах.

         Петротермальные источники, это источники тепла находящиеся в сухих горных породах. Такие источники существуют везде на Земле, перспективы их использования огромны, но освоение их практически ещё не начато.

         Геотермальные источники тепла отличаются друг от друга температурой, при которой можно получать тепло от горячей воды или пара и, поэтому, экономические показатели получения электроэнергии из них существенно разнятся. Температура теплоносителя ниже 130-150О°С, не позволяет получать рентабельные показатели этого процесса, поэтому, все источники делятся на пригодные только для получения тепла для бытовых нужд и пригодные для получения электроэнергии. Но уже существуют технологии, позволяющие использовать тепло для получения электроэнергии от теплоносителя, с температурой около 100О°С.

       Извлечение тепла

         Извлечь тепло из недр Земли задача не простая, и для получения геотермальной энергии приходится бурить скважины глубиной от 300 до 2000 метров и более. Иногда давление пород на теплоноситель на большой глубине бывает достаточным, чтобы вода или пар самостоятельно поднимались на поверхность через пробуренную скважину. Тогда пар направляется на вращение паровых турбин, для обогрева домов, в теплицы, в теплообменники, в которых вторичное тепло также используется. Вторичные теплоносители в теплообменниках, применяются тогда, когда природная геотермальная вода содержит много растворённых солей.

         Самой затратной частью освоения геотермальных источников является бурение скважин. Диаметр скважин бывает размером от 450 до 200 мм, с уменьшением по мере заглубления. Практика показывает, что дебит такой скважины с глубины 1000—1200 метров, составит 50 тонн пара или 1000 тонн горячей воды. Такая производительность высокоэнергетических теплоносителей даёт мощность от 2 до 7 МВт, то есть, для станции мощностью в 100 МВт необходимо эксплуатировать от 15 до 50 скважин.

         Расчёты показывают, что геотермальная энергия является, всё же, достаточно затратным энергоносителем и её использование возможно далеко не везде и не всегда.

       Получение петротермальной энергии

         Ещё более сложным и дорогостоящим представляется получение петротермальной энергии. Для этой цели в горных породах необходимо создать трещиноватость или пористость. После чего, в районе предполагаемой добычи тепла, на небольшом расстоянии друг от друга, бурятся две скважины и в одну из них, под давлением, закачивается вода, которая проходя по трещинам, забирает тепло горных пород и, проходя ко второй скважине, поднимается наверх, к поверхности, где это тепло применяется, также, как и тепло от геотермальных источников. Исследования в этом направлении интенсивно ведутся во многих странах мира.

         У геотермального тепла существуют и недостатки, которые сдерживают его использование для нужд человечества. Термальные воды, извлекаемые из недр Земли, засорены растворёнными в них вредными веществами, такими как мышьяк, сера, ртуть, из них в больших количествах выделяются вредные газы: сероводород, углекислый газ, аммиак, радон.

         Извлечение большого количества воды из геотермальных источников создаёт в земной коре пустоты, которые нарушают равновесие коры в данном месте и могут вызвать, даже, локальные землетрясения. Закачивание воды в пустоты, удорожают эксплуатацию этих источников.

         Мировой опыт показывает, что стоимостные показатели геотермальной энергии, за исключением отдельных благоприятных случаев, являются далеко не оптимальными. Тем не менее, страны мирового сообщества, такие как Сальвадор, Исландия, Италия, Япония, Мексика, Новая Зеландия, США успешно используют геотермальную энергию.

         В России, например, наиболее пригодными для получения и использования геотермальной энергии являются Камчатка, Курильские острова Северный Кавказ и их прогнозные запасы для глубин до 3 километров, составляют 25-30 млн. м3/сутки, из которых 75% с температурой 40—60О°С, 20% имеют температуру 60-80О°С и только 5% имеют температуру более 80О°С. Эти параметры не позволяют использовать геотермальное тепло для получения электроэнергии, кроме отдельных случаев.

         На полуострове Камчатка с 1967 года работает Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 МВт. С глубины 400 метров, из скважины, пробуренной в термальные воды, поступает пароводяная смесь с температурой 150-200О°С и давлением 2.105-4.105 Па. В сепараторе, пар отделяется от воды и подаётся на паровую турбину, которая вращает электрический генератор. Вода, отделённая от пара, поступает на отопление жилищ и другие нужды, отработавший пар поступает в конденсатор, куда подаётся холодная вода, которая распыляясь, смешивается с паром и конденсирует его, полученный конденсат сливается. В других местах частично используется геотермальное тепло для отопления, горячего водоснабжения, для сельского хозяйства.

         Сегодня, в мире, потенциальные возможности геотермальной энергетики оцениваются достаточно высоко. Данные современной науки сообщают: температура Земли на глубине 20 километров достигает 600О°С, на глубине 100 километров, она доходит до 1400О°С, на глубине 1000 километров, она достигает 2000О°С. Всё это говорит о высокой термической активности среднего слоя Земли, которая поддерживает термоактивность и влияет на более высоко лежащие слои. На глубине 4-6 километров под землёй залегают массивы горных пород с температурой 100-200О°С. На нескольких миллионах квадратных километров залегают подземные моря на глубине до 3,5 километра и с температурой воды 200О°С. Фонтаны пара и горячей воды, полученные из этих источников, могут служить человечеству веками и оно должно овладеть уникальными технологиями получения и использования этой высокоэффективной энергии.