5. Геотермальна енергія.

В ядрі нашої планети максимальна температура досягає 4000°С. Вихід тепла через тверді породи суші й океанського дна відбуваєть­ся головним чином за рахунок теплопровідності (геотермальне теп­ло) та рідше - у вигляді конвективних потоків розплавленої магми чи гарячої воді. Однак, є райони зі збільшеними градієнтами тем­ператури, де потоки складають приблизно 10-20 Вт/м², що дозволяє реалізувати геотермальні станції (ГеоТЕС) тепловою потужністю 100 МВт/км3 та тривалістю терміну експуатації до 20 років.

Якість геотермальної енергії звичайно невелика і краще її вико­ристовувати для опалювання будівель та інших споруд чи для попе­реднього підігріву робочих тіл звичайних високотемпературних ус­тановок. Так і опалювальні системи вже діють в багатьох країнах світу. Якщо тепло з надр виходить при температурі приблизно 150°С, то є сенс говорити про перетворення його в електроенергію. Декілька важ­ливих достаньо потужних ГеоТЕС вже запущені в Італії, Новій Зе­ландії, США.

Найбільш просто використовують тепло порід за допомогою теплових насосів.

Національною Академією наук України, Міністерством енерге­тики та електрифікації Російської Федерації було розроблено техніко-економічні обгрунтування доцільності використання геотермальнаї енергії для теплозабезпечення міст Херсона, Краснодара та деяких інших.

На півострові Камчатка та Курильських островах є приблизно 70 діючих вулканів, будь-яккий з них можна вважати гігантською підземною кочегаркою. В районі 1Іетропавловська-Камчатського під Авачинською сопкою є декілька десятків км гарячої води. На цьому теплі могли б працювати 10 електростанцій потужністю в 1 мли. кВт, кожна впродовж 20 років. Спорудження Паужетської ГеоТЕС показало, що така станція високорентабельна і мало забруднює довкілля. Її потужність 11тис. кВт.

Під наглядом вчених Інституту вулканології АН Росії знаходиться вулкан Мутновський, поблизу якого планувалося спорудження ГеоТЕС потужністю 200 тис. кВт. Побудовані ГеоТЕС на Філіппінах по­тужністю більш 900 тис. кВт, в Новій Зеландії 202 тис. кВг .

Тепло дуже важко передавати на відстань понад 30 км, тому його треба використовувати поблизу місця видобування. В зонах холод­ного клімату обігрів житла та промислових будівель створює помітну потребу в теплі, якщо густота населення становить більше 300 осіб на 1 км². Така геотермальна система давно вже використовується в Ісландії та в Новій Зеландії. Інші користувачі тепла - теплиці (60 МВт/км² в одній установці для Північної Європи), ферми для роз­ведення риби, установки для сушіння харчових продуктів тощо

Масштаб використання геотермальної енергії визначають декілька факторів: капітальні витрати на спорудження свердло­вин, ціна яких зростає зі збільшенням їх глибини. Оскільки температу­ра збільшується з глибиною, а видобуток енергії збільшується зі збільшенням температури, то оптимальна глибина свердловини 5 км. Загальну кількість тепла можна збільшити за рахунок повтор­ної закачки відпрацьованої та частково охолодженої води. Це корис­ний спосіб позбутися скидних вод, які можуть бути сильно мінералі­зовані (до 15 кг/м3 солей).

Запаси геотермальних водо- і парогідросистем з темпепературою 40-200°С і мінералізацією 0,5-35 г/л у Росії в основному згруповані (до 70%) на Далекому Сході та у Західному Сибіру. Значні ресурси геотермального тепла на Камчатці, Сахаліні, Курильських остро­вах.

Район Північного Кавказу характеризується значними запаса­ми геотермального тепла, яке міститься в геотермальних високомінералізованих (більше 200 г/л) розсолах з температурою 100°С. Добу­вання цього тепла потрібно здійснювати разом із отриманням цінних хімічних сполук із розсолів (солей кальцію, магнію, літію, сполук з йодом, бромом, бором та інших). Дослідно-промисловий завод для комплексного використання геотермальних вод Дагестану з утиліза­цією тепла та вилученням цінних компонентів розробив проект на таке використання геотермальних розсолів.

До категорії гідротермальних конвективних систем відносяться підземні басейни пари чи гарячої води, які виходять на поверхню з землі, утворюючи гейзери, фумароли, озера багнюки тощо.

Утворення таких систем пов'язано з джерелом тепла - гаря­чою чи розплавленою скельною породою, яка розташована близь­ко до поверхні землі. Над зоною високотемпературної скельної по­роди є формація з прониклої гірської породи, яка має воду, що підіймається в гору в результаті її підігріву підстеляючою гарячою породою. Проникна порода покрита непроникною, яка створює "пастку" для води. Наявність в ній тріщин дозволяє воді чи паровій суміші підійматися на поверхню. Гідротермальні конвективні системи розташовуються по границях тектонічних плит земної кори.

Гідротермальні конвективні системи поділяються на системи з гарячою водою чи з парою. В залежності ті від температури системи можна поділи на високо­температурні (> 150°С), се- редньотемпературні (90- 150°С) та низькотемпера­турні (< 90°С).

Для виробництва електроенергії на джерелах з гарячою водою викорис­товуюсь метод, що грун­тується на використанні пари, яка утворюється при випаровуванні гарячої рідини на поверхні. Цей ме­тод використовує те явище, що при наближенні гарячої води (під великим тиском) по свердловинах з басейну до поверхні тиск падає і приблизно 20% рідини закипає та перетворюється на пару. Ця пара від­діляється за допомогою се­паратора від води та спрямовуєтьься до турбіни. Вода, що виходить із сепаратора, може бути ще оброблена в залежності від ії мінерального складу. Цю воду можна закачувати знов у скельну породу одразу ж чи з попереднім вилученням з неї мінералів. Прикладами таких гео­термальних джерел є Уайракей та Бродлендс в Новій Зеландії, Серро- Прієсто в Мексиці, Отаке в Японії та ін.

Рис.4Схема геотермальних вод.

Іншим методом виробництва електроенергії на базі високо- чи середньотемпературних геотермальних вод є використання проце­су із застосуванням двоконтурного (бінарного) циклу. В цьому про­цесі вода, отримана з басейну, використовується для нагріву теп­лоносія другого контура (фреону чи ізобутану), котрий має меншу температуру кипіння, Пара, що утворюється в результаті кипіння цієї рідини, використовується для приводу турбіни. Відпрацьована пара конденсується і знову пропускається крізь теплообмінник, ство­рюючи замкнений цикл.

Спочатку пробурюють свердловину, що досягає області залягання гарячої породи; потім крізь неї в породу під великим тиском закачують холодну воду, що призводить до утворення в породі тріщин. Після цього через утворену зону тріщинуватої породи пробурюють іншу сверд­ловину. Наприкінці холодну воду з поверхні закачують в першу свер­дловину. Проходячи крізь гарячу породу, вона нагрівається і заби­рається крізь іншу свердловину у вигляді пари чи гарячої води, що потім можна використати для виробництва електроенергії. (рис. 4)

Геотермальні системи, де в зонах зі збільшеним значенням теп­лового потоку розташовується глибокозалягаючий осадовий басейн (Паризький чи Угорський басейни), температура води - 100°С

Переваги: геотермальну енергію отримують віл джерел тепла з великими температурами, вона має декілька особливостей: темпе­ратура теплоносія значно менша за температуру при спалюванні палива; • найкращий спосіб використання геотермальної енергії - комбінований режим (видобуток електроенергії та обігрів).

Недоліки: • незважаючи на те, що сумарні запаси геотермаль­ної енергії дуже великі, її термодинамічна якість низька; ■ необхідність використання тепла поблизу місця видобування; • вартість споруд­ження свердловин зростає зі збільшенням їх глибини.

В районах вулканізму, де гірські породи прогріті подекуди до самої поверхні, тепло проявляється у вигляді гарячих ключів, гей­зерів, парових струменів з високою температурою. У невулканіч­них районах - не глибинні термальні води. Для практичного вико­ристання води земних надр (виробництво електроенергії, комуналь­ного теплозабезпечення тощо) потрібне утворення в гірських поро­дах тріщин великої протяжності.

Виділяють 3 класи геотермальних районів:

• гіпертертермальний температурний градієнт більше 80°Скм, ці райо­ни розташовані в тектонічній зоні поблизу границь континенталь­них плит;

• напівтермальний температурний градієнт 4О-80°Скм, ці райони пов'язані з аномаліями, що лежать осторонь платформ; вилучен­ня тепла йде з природних водоносих пластів чи з роздрібнених сухих порід;

• нормальний температурний градієн менше 40°С/км .

Це джерело енергії характеризується різноплановим виливом на природне середовище. Так, в атмосферу надходить додаткова кількість розчинених в підземних водах сполук сірки, бору, миш'я­ку, аміаку, ртуті, на поверхню викидаються водяні пари, що ство­рює локальне підвищення вологості і супроводжується акустичним впливом. Вивід на поверхню великої кількості води порушує баланс підземних водотоків, змінює темпертурні поля підземних гори­зонтів, може призвести до забруднення та ерозії грунту. При інтен­сивному виводі на поверхню підземних вод можливе локальне обширне опускання земної поверхні - цє веде не тільки до порушення стійкості будівель, але і до зміни ландшафту, що особливо погано для низинних районів. Опускання поверхні разом із пониженням пластових тисків може підвищити сейсмічність районів інтенсивно­го використання підземного тепла. Також слід пам'ятати, що при експлуатації цього джерела енергії на поверхню виводяться значні за об'ємом кількості високомінералізованої води. При відсут-ності можливості їх зворотної закачки в пласт виникає проблема засолення грунту в зазначеному районі.