2. Геотермалды энергия көздері

Жер қыртысының жылулық табиғаты. Геотермика («гео» - жер және «термо» - жылу грек сөзінен) ғылымы жер қыртысының және барлық жердің жылулық жағдайын, оның геологиялық құрылысына тәуелділігін, таулы жыныс құрамын, магматикалық үрдістерді және басқа бірқатар факторларды зерттейді.

Жер шарының жылулық жағдайының белгісі жердің жылу бар терең қабатындағы температуралық градиент болып табылады.

Градиентті үлкен тереңдіктегі геотермалды аймақтағы ыстық сулардың температурасының мәндерін экстрополяциялап, жер қартысының температуралық жағдайын бағалауға болады [13].

Жердің төменгі қабатында түзілетін қатты, сұйық және газ тәрізділердегі барлық табиғи түрдегі геотермалды қорды екі түрде қарастыруымызға болады:

Жер ядросының температурасы 5000⁰С (жуық).

Жердің орташа температурасы әрбір 100 метр тереңдікте 3⁰С-қа жоғарылайды. Осылай 20 км тереңдікте температура 700...800⁰С мөлшеріне көтеріледі. Геотермалды энергияның негізгі көзі жер бетіне бағытталған жер ядросының балқыған жылу ағынынан пайда болады.

Жер қыртысы астындағы таулы нәсілдерді балқытуға, магмаға айналдыруға бұл жылу жеткілікті. Магманың көп бөлігі жер астында қалып қояды және пеш тәріздес қоршаған ортаны қыздырады. Егер жер асты сулары осы жылумен кездессе, оларды қатты қыздырады, кейде 371⁰С-қа дейін, кейбір жерлерде, әсіресе материктердің тектоникалық плитасының жан-жағында, сондай-ақ «ыстық нүкте» деп аталатын нүктеде жер бетіне өте жақын келеді, тіпті оны геотермалды бұрғылау ұңғымаларының көмегімен табуға болады. Егер адамзат тек геотермалды энергияны қолданатын болса, жер жүзінің температурасы жарты градусқа төмендегенше 41 млн. жылдай кетеді [14].

Қазақстанның көптеген аймақтарында термалды жылу көздері кездеседі, оны сол аймақтағы тұрғын үй нысанасын жылыту үшін және жылу сорғыларын пайдалану өте тиімді.

Қазақстан жағдайындағы энергияның басқа көздеріне Жер жылуын пайдалану жатады. Сонымен 70⁰С жылу алу, Қазақстанның көптеген аумағында тұрғын үй нысанасын жылыту үшін жылу сорғыларын қолданса жеткілікті, бұлар жылудың сол шамадағы көлемін алу 3 еседей төмен энергияны қажет етеді [15].

Геотермалды энергияның дүниежүзіндегі жағдайы. Геотермалды энергияны ең алғаш 1904 жылы Италияндық П. Джинони Конти геотермалды құрғақ бу сұйық қоймасының қолданылуымен алынды.

Бірінші АҚШ-та коммерциялық геотермалды электр стансасы электр энергияны 1960 жылдардан бастап өндіре бастады.

Жылумен қамдау үшін геотермалды энергияны қолдану Исландия, Жапония, Филиппинде, Францияда, ҚХР, Венгрия, Жаңа Зеландияда көп таралған [16].

ТМД елдерінде температурасы 100...150⁰С жерасты құйынды жүйелерді жасау үшін қолданылатын жылудың энергетикалық әлеуеті болжаммен 70 миллиард тонна шартты отынды құрайды.

Дегенмен оны игеру үшін жаңашыл өндіріс базасын жасауды немесе үлкен масштабтағы импорттық құрылғыларды сатып алуды талап етеді.

Бүгінгі таңда 58 мемлекет өздерінің геотермалды қор жылуын тек электр энергия өндірісіне емес, сондай-ақ жылу түрін пайдаланып отыр.

Ванна және бассейндерді ысыту үшін 42%-ы қолданылады.

Қазіргі уақытта геотермалды энергия көздерін табуға негізінде фонтан (бұрқақ) әдісі қолданылады.

Қазақстанның геотермалды әлеуеті өте үлкен. Үңгіме сағасындағы көптеген арынды көздердегі судың температурасы 40-100⁰С. Олардың республика аумағындағы сұйытылған қоры шартты отынның 100 млрд. тоннасын құрайды, бұл елдің мұнай мен газының жинақты қорынан асып түседі.

Геотермалды көздердің көпшілігі негізінен Батыс Қазақстанда (75,9%), Оңтүстік Қазақстанда (15,6%) және Орталық Қазақстанда (5,3%) орналасқан [17].

Орналасқан жері бойынша геотермалды сулар Іле ойпатында, Сырдария, Ертіс, Маңғышлақ-Үстірт, Шу-Сарысу, Келес және Зайсан артезиан бассейндерінде ашылған. Іле ойпаты аясында өнеркәсіптік болашағы бар, сонымен қатар Алматы және Жаркенттік артезиан бассейндерін атауға болады. Сол бассейндердің арынды, минералдануы төмен суларының температурасы 40-100⁰С, бұл электр энергиясын өндіру мен жылумен жабдықтаудағы өзінің артықшылығын тағы бір рет көрсетеді. Бассейндердің қоры сәйкесінше 106,5 және 216 млрд. текше м, бұл шартты отынның, шамамен 1,8 млрд. тоннасына эквивалентті [18].

Сырдария артезиан бассейнінің энергетикалық потенциалы ауқымды, қоры 470,3 млрд. текше метр және арынды сулардың температурасы 30-75⁰С және одан жоғары.

Қазақстанның оңтүстік өңірін жылу және энергиямен жабдықтау мәселелерін шешуде Келес артезиан бассейнінің болашағы зор, оның қоры 120,5 млрд. текше метр және арынды сулардың температурасы 40-85⁰С [19].

Әртүрлі экономикалық себептерге байланысты еліміздің геотермалды ресурстары энергия көздері ретінде әзірше жұмылдырыла қойған жоқ. Шағын көлемде олар бальнеологияда және бақшалық дақылдарды суаруда қолданылады. Алайда өздерінің потенциалды мүмкіндіктеріне қарай олардың болашағы керемет, өйткені олар міндетті түрде Батыс және Оңтүстік Қазақстан энергиясының негізгі көздері болатыны анық.

Электр энергиясын және жылуды геотермалды көздерден алу мүмкіндігі әлі күнге әлемде кең жариялана қоймаған, таулы ортада жасанды баламасын алу бойынша жаңа идеясын өмірге келтірді. Егер шикізаттың энергия көзіне айналу сатысын ескерсек, онда мұнайды, газды және көмірді өндіру мен өңдеу, уранды ыдырату тек қана жылу және атом электр станцияларының турбиналарын айналдырып, электр энергиясын шығаратын аса қызған бу түріндегі соңғы өнімді алу үшін ғана өндіріледі. Бірақ оларды өндірмесе де болады, ал аса қызған буды дайын күйінде жер асты жасанды геотермалды көздерден алуға болады [8].

Термалды энергия көздері. Термалды сулардың бірінші типі – вулканды тип жатады.

Вулканды – жаңартаулардың тесіп шығатын сулар ол термалды суларға жатады. Зерттеу тәжірибелері көрсеткендей, жаңартаулы термалының суы басым жағдайда беттік инфильтрациялы болып келеді. Гейзерлерден басқа гидротермалдардың жаңартаулы типіне кір грипондар және қазандар, булы ағындар және газды фумаролдар кіреді.

Гидротермалдар ерітілген түрде әртүрлі газдарды иеленеді: белсенді (агрессивті) көмір қышқылы сияқты көмірсулар, атом сутегі және аз белсенді – азот, метан, сутекті газдар бар.

Бүгінгі күні барлық геотермалды электростанциялар жаңашыл жаңартау аудандарында жұмыс істейді.

Екінші типі – терең платформалы шұңқырларда және тау алды иілген жерлерде шоғырланған жер асты сулары кондуктивті түрде ысиды. Олар жаңартаулы емес аймақта орналасады және нормалды геотермиялық градиенті – 30-33⁰С/км.

Мұнай мен газға бұрғылау жұмыстарын жүргізгенде, бірнеше миллион шаршы километр ауданын алатын жүздеген жер асты термалды сулардың артезианды бассейндері табылған. Ереже бойынша, артезианды бассейндер жазық аймақтармен тау алды иілген жерлерде орналасқан, температурасы 100-150⁰С, 3-4 км тереңдікте.

Артезианды бассейндер таулы аймақтарда Альпы, Карпат, Қырым, Кавказ, Копет-Даг, Тнь-Шань, Памир, Гималайда бар. Бұл бассейндердің термалды сулары бағалы элементтерді шығарып алу үшін минералды шикізат ретінде қолданады.

Бұрғылаудың дамуымен 10-15 км тереңде жоғары жылу көздерін ашу – болашақтың мақсаты. Мұндай тереңдікте кейбір аудандардың температурасы 350⁰С және одан жоғары [20].

Геотермалды ресурстар жалпы өзінің жылуэнергетикалық мүмкіндігі мен келешегі бар аудандарда шоғырлануы бойынша алдыңғы орында. Дегенмен геотермалды энергиялардың бағаланған мөлшерін отын-энергетикалық балансқа өзгерту кезінде көптеген ғылыми-техникалық мәселелер туындайды. Ол мәселелердің шешімін табу үшін табиғи, техникалық, технологиялық, экологиялық және ең бастасы экономикалық жағдайлардың, көрсеткіштер мен параметрлердің жиынтығын есепке алу қажет.

Соңғы кездері геотермалды ресурстарды негізгі 2 топқа бөліп қарастыру қабылданған. Олар: гидрогеотермалды және петрогеотермалды. Гидрогеотермалды ресурстар – дегеніміз табиғи жылу тасығыштардың: жер асты суларының, бу немесе су мен бу қоспасының табиғи коллекторларда жинақталған геотермалды энергияның бір бөлігі. Петрогеотермалды ресурстарға жылу энергиясының су жинақтағыш жыныстары мен суды өткізбейтін тау жыныстары жатады.

Табиғи жылу тасығыштарда қолдануға жарамды барлық геотермалды энергияларды бағалау кезінде табиғатта термалды сулардың мөлшері 1%, ал петрогеотермалды ресурстардың мөлшері 99%-ды құрайтыны белгілі болды. Бірақ табиғатта көп кездесетін петрогеотермалды ресурстарды іс жүзінде қолдану үшін аса күрделі ғылыми-техникалық мәселелерді шешу керек. Сонымен қатар гидравликалық, жылу физикалық жер асты өтетін жасанды жылу шығарғыштардың (геоциркуляциялы жүйелердің, жылу қазандықтарының) экономикалық тиімді түрлерін ойластыру және жасап шығару қажет. Қазіргі уақытта АҚШ, Ұлыбритания, Германия, Ресей және басқа да елдердің көптеген тәжірибелік полигондарында жүргізілген ғылыми жұмыстардың арқасында петрогеотермалды ресурстарды падалануда аздаған ілгерілеушілік байқалғанымен іс жүзінде геотермалды жылу энергетикадағы жетістіктер табиғи жылу тасығыштар, яғни термалды суларды пайдаланумен байланысты [21].

Техника мен технологияның заманауи дамыған кезеңінде, іс жүзінде геотермалды ресурстардың техникалық және экономикалық мақсатты түрде қолданылу деңгейі жылу тасығыштар қорының көлемі мен гидрогеотермалды ресурстардың негізгі мөлшеріне байланысты анықталады.

1970 жылы геотермалды электр станцияларында (ГеоЭС) орнатылған 678 МВт қуаттылық 2000 жылы 8000 МВт-қа дейін өсті. Көшбасшы елдер: АҚШ – 2228 МВт, Филиппин – 1909 МВт, Италия – 785 МВт, Мексика – 755 МВт, Индонезия – 589 МВт, (Ресей – 23 МВт). ГеоЭС-ларындағы қуаттың орташа жылдық өсуі соңғы 30 жыл бойынша 8,6%-ды құрады. Геотермалды жылу қондырғыларымен соңғы 20 жыл ішіндегі орнатылған қуаттылықтың шамасы 17 175 МВт-қа дейін ұлғайды.

Қазақстанда көптеген төмен температуралы геотермалды локальды жерлер баршылық. Ең жоғарғы температура шамасын көрсететін елімізде 2 құдық бар. 3 километрлі екі геотермалды құдық Жаркент маңында орналасқан. Геотермалды құдықтардың шамамен алғанда температурасы 96⁰С-ты құрайды.

Арыс пен Ертіс өзендері аумақтарында орналасқан қалған қайнарлардың температурасы әдетте 55⁰С-тан төмен болады. Кең көлемде энергиямен қамтамасыз ету мақсатында теңестірілген бұл жерлер төмен температураға ие болғандықтан геотермалды энергияны дамытуға жарамсыз.

Жүргізілген талдау көрсеткендей Қазақстанның геотермалды алаптарының тек жылумен қамсыздандыруда ғана пайдасы бар [1].

Геотермалды стансалар. Қазіргі уақытта геотермалды энергия екі негізгі бағытта қолданылады – жылумен қамдау және электр энергиясын алу.

Бірқатар технологиялар және жетілдірілген құрылғылар жылу және электр энергиясын жеке тұтынушылар және құрамдастырылған өндіріс үшін пайдаланады.

Жаңартаулы аудандарда геотермиялы станциялар тереңдігі 0,5-3 км жер астындағы табиғи ыстық су кен орнына негізделген.

Су буының орташа құрғақтық дәрежесі 0,2-0,5 және 1500-2500 кДж/кг энтальпиясы бар. Пайдаланатын ұңғыша стансаны 3-5 МВт энергиямен қамтамасыз етеді.

Табиғи буды тікелей қолданатын геотермиялық электр станса

Ең қарапайым және арзан геотермиялық электр қондырғылар қарсы қысымды бу турбиналы қондырғылардан тұрады.

Ұңғышадағы табиғи бу тікелей турбинаға беріледі, одан атмосфераға немесе құрылғыға шығады, одан бағалы химиялық заттарды аулаушыға береді. Бу турбинасына екіншілік бу немесе сеператордан алынатын буды беруге болады. Бұл қондырғы қарапайым, бағасы және пайдалану (эксплуатациялық) шығындары төмен. Ол аса үлкен емес ауданды және қосымша құрылғыларды қажет етпейді, оны қозғалмалы геотермалды электрстанциясына келтіру оңай [22].