Глава 2. Геотермальная энергия

2.1 Введение

Земля образовалась из газопылевого облака около 4,7 млрд лет назад под действием собственного гравитационного поля. В результате выделения гравитационной энергии в процессе сжатия и теплоты ядерных реакций температура ядра Земли повысилась до 4000—5000 К, а давление в центре Земли составляет Па, т.е. 3,6 млн. атмосфер. Примерно 70% поверхности Земли покрыто морями и океанами, на долю суши приходится только 30%, поэтому слой, покрывающий земную кору, называют гидросферой. Внешняя часть твердой земной оболочки, включающая земную кору и части мантии, называется литосферой.

На рис. 2.1 представлена идеализированная схема. На самом деле картина выглядит значительно сложнее, особенно в области земной коры и гидросферы. Земная кора имеет толщину в среднем 10 км под океанами и 40 км на континенте и состоит из литосферных плит, перемещающихся на расплавленной магме, представляющей верхнюю часть мантии. В местах контакта плит образуются тектонические разломы, плиты «налезают» друг на друга. По разломам магма ближе подходит к поверхности Земли, в результате чего появляются горы, вулканы, гейзеры.

Рис. 2.1. Схематическое изображение строения Земли.

В некоторых местах между непроницаемыми для воды породами оказывается зажатым пористый водоносный слой. В популярной литературе о нем пишут «озера пресной или соленой воды» — это не так. На самом деле это — порода с пористостью, скажем, 15%, поры которой заполнены водой (это же относится к нефтяным и газовым месторождениям).

Происхождение водоносного слоя может быть разным. В горной местности вода часто через трещины в слабопроницаемой породе (рис. 2.2) проникает в него с поверхности под гидростатическим давлением, нагревается там и выходит в виде гейзеров через другие трещины в более низком месте. Это — инфильтрационные воды. Их чаще всего и используют. Давление в водоносном слое в метрах водяного столба примерно равно глубине его залегания.

Рис.2.2 Схема выхода инфильтрациион- ных вод на поверхность Земли.

Кроме инфильтрационных, существуют ювенильные воды, которые выделяются из расплава магмы в процессе ее химического превращения. Они поднимаются вверх в виде воды или пара (при давлении выше критического (22,4 МПа) физической разницы между ними не существует) и тоже могут скапливаться в водоносном слое, если сверху этот слой накрыт практически непроницаемой для воды породой.

Поскольку ядро Земли горячее, температура по мере углубления от поверхности возрастает. Глубина, на которой температура возрастает на 1°С, называется геотермической ступенью. Средняя величина геотермической ступени равна 33 м/К, т. е. на каждый километр глубины температура Земли в среднем повышается примерно на 30 К, но это лишь очень усредненная величина. В некоторых местах, например, на Камчатке, она сокращается до 2—3 м/К. На Камчатке источники с температурой примерно 200°С находятся на глубине всего 150—200 м, а в Краснодарском крае приходится бурить скважины глубиной более 2-х км до пласта с температурой около 100°С.

Тепловые ресурсы недр Земли подразделяют на петрогеотермальные и гидрогеотермальные. К первым относят теплоту слабопроницаемых горных пород (иногда говорят — сухих пород). Запасы теплоты определяют как энтальпию толщи литосферы, равной предельной глубине бурения (10 км), отсчитываемую от температуры окружающей среды [1]. Они в несколько раз превышают запасы органического топлива. На глубине 10 км температура в среднем равна 10000/33 330°С.

К гидрогеотермальным относят энтальпию термоводоносных горизонтов на доступных глубинах, отсчитываемую также от температуры окружающей среды. Эти ресурсы используются во многих странах мира. Пока эксплуатируют лишь те месторождения, которые расположены близко к поверхности или выходят непосредственно на поверхность, хотя в России есть скважины глубиной более 6 км, а в США — даже более 9 км. На Кольском полуострове пробурена самая глубокая в мире (14 км) опытная скважина.

И наконец, верхний слой земной коры иногда используется просто для хранения теплоты и холода. Если на глубине не более 100 м имеется пористый водоносный слой, то до него бурят скважины и летом закачивают в него воду, нагретую естественным путем (Солнцем, при охлаждении оборудования и т. д.). Зимой эту теплую воду забирают из пласта для обогрева помещений, часто с помощью теплового насоса. Охлажденная вода закачивается в пласт в другой точке. Туда же закачивают холодную воду зимой. Летом эту воду забирают из пласта для охлаждения (кондиционирования) помещений. При охлаждении экономится 70% энергии, если сравнивать с воздушным кондиционированием. При обогреве экономится 20—30% энергии. При использовании теплового насоса можно даже согреть воду для душа.

В Голландии осуществлены уже тысячи таких проектов, в частности так отапливаются и охлаждаются все здания общежития университета в Эйндхо-вене. При площади зданий более 10000 м² проекты окупаются за 3—7 лет (при поддержке правительства). Для домов на одну семью это рентабельно, если вместе объединяются не менее 100 домов.