геотермальные ресурсы

В современном мире наблюдается непрерывный рост интереса к альтернативным источникам энергии. Это вызвано, во-первых, истощением запасов углеводородов, во-вторых, растущим масштабом экологических проблем. Важно отметить, что переход к новым источникам энергии непременно предстоит в будущем, о чём свидетельствует уменьшение запасов ископаемого топлива и влияние, оказываемое ныне существующим положением дел в традиционной энергетике, на окружающую среду. Также важно в этой связи то, что что энергопотребление на планете непрерывно растёт и составит по прогнозам на 2050 г. 60 млрд т. у. т. В наши дни наметился переход к рациональному использованию традиционных и новых источников энергии, причём доля возобновляемых ресурсов будет расти в ближайшие годы.

Одним из важнейших возобновляемых энергетических ресурсов является геотермальная энергия, под которой понимают тепловую энергию Земли. На её использовании строится геотермальная энергетика – отрасль энергетики, в которой электрическая или тепловая энергия получается путём использования глубинного тепла Земли и которая основана на системах, являющихся природно-техногенными, реализующими отбор тепла из искусственных или естественных подземных резервуаров.

В геосферах Земли содержатся долгоживущие радиоактивные изотопы, такие как ²³⁸U, ⁴⁰K, ²³²Th, радиоактивный распад которых сопровождается постоянным производством тепла внутри Земли. Также следует отметить и другой важный процесс, протекающий в недрах нашей планеты, а именно переход энергии гравитационной дифференциации в её глубинных оболочках в тепло, что, в свою очередь, осуществляет компенсацию его внешних потерь в виде теплового потока, который излучается в атмосферу. Эти два фактора являются определяющими в отношении возобновляемости геотермальных ресурсов. В общем кондуктивные теплопотери Земли составляют 25-32 ГВт.

Ресурсы тепла, заключённого внутри Земли, подразделяются на гидротермальные и петрогидротермальные.

Гидротермальные ресурсы представляют собой теплоносители-флюиды, а именно подземные воды, пар и пароводяную смесь. Под петрогидротермальными ресурсами понимают геотермальную энергию, которая содержится в горячих горных породах, нагрев которых происходит за счёт глубинного кондуктивного теплового потока.

Гидротермальные ресурсы.

Круговорот воды в природе обеспечивает постоянное пополнение гидротермальных ресурсов. Последние участвуют в теплообмене с вмещающими породами. Всё это делает их одним из самых надёжных видов теплоносителей.

Скорость циркуляции подземных вод зависит от их глубины. Так в верхних 510 км земной коры они циркулируют под напором из-за воздействия силы тяжести, происходит непрерывный обмен с водами, которые находятся на поверхности Земли. Однако проницаемость земной коры по мере увеличения глубины заметно снижается, воды становятся менее подвижными из-за недостаточно сильного напора. Существуют глубины, на которых вода достигает весьма малой подвижности, так что она практически перестаёт участвовать в теплообмене. В этом случае происходит уже диффузионный или кондуктивный перенос тепла, а не конвективный тепломассоперенос.

Гидротермальные ресурсы являются лишь малой долей общих ресурсов геотермальной энергии, эта доля составляет 1%. Важно отметить, что районы возможного использования данных ресурсов в энергетике относятся к зонам современного вулканизма. В таких зонах дополнительный тепловой потенциал подземных вод достигается за счёт их контакта с магматическими телами, а сами геотермальные воды циркулируют на относительно малой глубине, которая доступна для современной буровой техники. С технической точки зрения важно упомянуть, что срок службы таких скважин не составляет и десяти лет во многих странах. Также следует отметить, что потенциальный потребитель, как правило, располагается в удалении от источников гидротермальной энергии, что в определённой мере является причиной ограничения их утилизации. Высокоминерализованные термальные воды, которые используются как теплоноситель, вызывают химическую кольматацию скважин, отложение солей, оборудование подвергается коррозии. Однако, несмотря на вышеупомянутые технические сложности, в последние годы наблюдается большой прирост доли использования гидротермальной энергии в целом ряду стран, например, в Японии, Китае, Мексике, Филиппинах, Новой Зеландии, Сальвадоре и др.

В России также имеются геотермальные электростанции, их общая инсталлированная мощность равна 73 МВт_э, причём значительный прирост инсталлированной мощности 62 МВт_э произошёл после 2000 г. До этого лишь Паужетская геотермальная электростанция производила электроэнергию таким образом. Данная ГеоТЭС располагается на юге Камчатки. Рост мощности до значения 73 МВт_э произошёл после пуска в 2000 г. ВерхнеМутновской – мощностью 12 МВт и в 2001 г. Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт.

Согласно предварительным оценкам, прогнозные запасы термальных вод с температурой 40-250 ℃, минерализацией 35-200 г/л и глубиной залегания до 3 км представляется возможным извлекать с дебитом 21-22 млн м³/сут, это эквивалентно сжиганию 30-40 млн т. у. т./год.

Различные страны, включая Россию, располагают опытом, как правило, относящимся к использованию термальных вод и природного пара, которые вместе носят название парогидротермы. На сегодняшний день они являются наиболее реальной базой геотермальной энергетики. В некоторых странах парогидротермы и термальные воды применяются в промышленном масштабе. Так промышленная разработка гидротермальных месторождений с успехом проводится более чем в 100 странах мира. Её лидерами являются США, Филиппины, Мексика, Индонезия, Италия, Исландия, Новая Зеландия, Япония, Китай, Франция, Венгрия и др.

Петротермальные ресурсы.

Тепловая энергия также заключена в твёрдых горных породах, называемых в этой связи петротермальными ресурсами. Такие ресурсы наиболее распространены, так как представляют из себя горячие скальные породы, однако их глубина залегания разная. Они хранят в себе около 99% общих ресурсов подземной тепловой энергии.

Согласно оценкам, общий ресурс тепловой энергии Земли, располагающийся на глубинах до 10 км, эквивалентен тепловому потенциалу сжигания 34,1∙10⁹ млрд т. у. т, что на несколько порядков выше энергетического ресурса всех известных запасов топлива на Земле.

В практическом отношении в фокусе находятся доступные для современных технологий недра. Таким образом ресурсы такой геотермальной энергии ограничиваются максимальной глубиной залегания 10 – 12 км, которую могут обеспечить современные технологии глубокого и свехглубокого бурения.

При извлечении петротермальных ресурсов происходит снижения начального теплосодержания части участков земной коры, сохраняющееся в течение длительного периода из-за низкой теплопроводности литосферы. Это время, как правило, превышает во много раз время извлечения. Из этого следует, что в данном отношении петротермальные ресурсы рассматриваются как невозобновляемые ресурсы.

Важно отметить, что при сооружениии петротеплостанций в хозяйственных и промышленных целях необходимо наличие на поверхности пара или пароводяной смеси с температурой до 150 С. Это значение доступно на глубине 3 км, если геотермический градиент очень высок – до 50 мК/м. Такие высокие градиенты редко встречаются на территории Российской Федерации. Они расположены на территории Северного Кавказа, в отдельных районах Западной Сибири, Прибайкалье, Курило-Камчатского региона.

Петротермальные ресурсы довольно широко распространены, представляются неисчерпаемыми, безотходны и безопасны в эксплуатации., однако требуют больших капиталовложений, связанных с бурением глубоких скважин и организацией гидроразрыва пласта, а также возможно потребующимся в процессе эксплуатации новым комплексом скважин.

Геотермальные ресурсы России.

Территория России большей частьб располагает термальными водами с температурой 30-40 С. Благодаря этому возможно обеспечение отопление и горячее водоснабжение жилых и производственных построек при помощи тепловых насосов.

Северный Кавказ, Чукотка, Калининградская, Тюменская и Омская области, Приморье и Забайкалье располагают термальными водами температурой 100-120 С, причем глубина залегания не превышает 2 км. Таким образом, их можно применять для теплоснабжения непосредственно, а также произвлдить выработку электроэнергии на бинарных электростанциях. Также присутствуют геотермальные резервуары с температурой до 300 С, используя которые можно вырабатывать электроэнергию на ГеоЭС при помощи геотермально пара и флюида.

Некоторые удаленные регионы Российской Федерации представляется выгодным и перспективным обеспечить энергией при помощи геотермальных ресурсов с температурами выше 20-25 С. Это представляется возможным при помощи тепловых насосов. С их помощью можно получить теплоноситель с температурами 70-80 С на выходе. Таким образом можно обеспечить теплоснабжение городов и поселений на 75-80% территории России.

Наиболее богатые геотермальными ресурсами районы России – это Курильские острова и Камчатская область. Важнейшим источником термальных вод на Камчатке является Верхне-Паратунское месторождение с температурой вод около 85 С.

На островах Итуруп и Кунашир таким образом можно обеспечить теплом населенные пункты. На острове Итуруп с 2006 по 2015 г работла ГеоТЭС «Океанская», в 2016 г. Она была законсервирована после ряда аварий.

В ряде дагестанских городов, а также столице Чечни – Грозном отопление частично обеспечивается с помощью термальных вод.

В Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирском регионе расположены пригодные для широкомасштабного использования запасы геотермального тепла. В Западной Сибири было обнаружено «подземное море» большой площади с температурой воды 70-90 С.

В России производилось и производится большое количество исследований геотермальных полей, постройки и эксплуатации ГеоЭС.

Два высокотемпературных месторождения на Камчатке: Северо-Мутновское и Паужетское, являются наиболее освоенными и перспективными. Запасы геотермального пара и воды на Камчатке могут обеспечит весь этот регион электроэнергией.