Относительно источника и природы геотермальной теплоты сегодня нет единой точки зрения. Существуют гипотезы, в соответствии с которыми этот источник обязан своим происхождением радиоактивному распаду элементов, содержащихся в толще земли. Другие гипотезы предполагают определенный механизм, с помощью которого энергия из ионизированных поясов, существующих вокруг Земли, перекачивается в жидкое ядро Земли. Так или иначе, но известно, что из недр Земли к ее поверхности непрерывно течет тепловой поток, плотность которого в среднем по земному шару оценивается в 0,06 Вт/м2. Этот тепловой поток приводит к тому, что температура земных пород постепенно нарастает при продвижении от поверхности в глубь земли. В некоторых районах он заметно превышает приведенное выше среднее значение, но лишь в немногих местах достигает 0,4 Вт/м2.
В зависимости от различных местных аномалий, связанных с тектонической активностью, а также в зависимости от теплопроводности пород земной коры изменение температуры с глубиной оказывается довольно различным. Эта характеристика — изменение температуры на 1 км глубины, называемая геотермическим градиентом, является важнейшей для определения потенциальной возможности геотермального источника теплоты.
По значению геотермического градиента различают: гипертермические районы (градиент >80° С/км); полутермические районы (градиент 40—80°С/км); нормальные районы (градиент <40°С/км);
Под общими ресурсами геотермальной теплоты обычно понимают всю теплоту, запасенную земными породами вплоть до некоторой обусловленной глубины. При этом определяется количество теплоты, которое может выделиться, если породы охладить до средней годовой температуры на поверхности земли в данном месте. В
разных оценках глубина принимается от 3 до 10 км и, разумеется, такие оценки оказываются несопоставимыми; например, в работе [5] теплота, которая может быть извлечена в целом по земному шару до глубины 3 км и пригодна для производства электроэнергии, оценена в 8-1017 кДж. Если увеличить глубину до 4—5 км, эта цифра возрастет в 4—5 раз.
Здесь необходимо предостеречь от одной часто встречающейся ошибки. Она состоит в том, что запасы геотермальной теплоты пересчитывают в тонны условного топлива или в эквивалентные количества нефти, просто пользуясь соответствующим энергетическим эквивалентом. Однако в гл. 4 будет показано, что теплота является специфической формой энергии, ценность которой существенно зависит от температуры. Геотермальная теплота является в большинстве случаев низкотемпературной (низкопотенциальной), и поэтому 1 Дж этой теплоты имеет значительно меньшую энергетическую ценность, чем 1 Дж теплоты, полученной при сжигании угля или нефти. Тем не менее, даже с этой оговоркой, запасы геотермальной теплоты весьма велики, чтобы всерьез интересоваться возможностями их извлечения и использования.
Говоря об источниках геотермальной энергии, следует различать два принципиально разных случая. К первому случаю относятся так называемые гидротермальные или паротермальные источники, представляющие собой существующие в природе подземные запасы горячей воды или пара с температурой от нескольких десятков иногда до 300—350°С. Такие источники характерны для гипертермических, а иногда полутермических районов, число которых на Земле относительно мало. Это, как правило, районы с активной вулканической деятельностью, как, например, известное тихоокеанское кольцо, охватывающее Камчатку, Японские острова, Новую Зеландию и Тихоокеанское побережье Америки. Практически все освоенные сегодня источники геотермальной теплоты относятся к этому типу.
Второй случай — это так называемые петротермальные источники, т. е. источники, связанные с теплотой сухих горных пород. Такие источники из-за наличия геотермического градиента существуют повсеместно, и задача сводится к экономичному извлечению и использованию их теплоты. Освоение этих источников практически еще не начато — ведутся лишь работы по накоплению необходимых экспериментальных данных.
Запасы геотермальной теплоты принято делить еще по одному важному признаку — температуре, при которой можно получать из геотермальной скважины горячую воду или пар. По причинам, которые станут ясны в следующей главе, электроэнергию экономически выгодно получать только тогда, когда начальная температура пара или воды достаточно велика. Сегодня считают, что граница, ниже которой получение электроэнергии нерентабельно, составляет 130—150°С. По мере совершенствования циклов и схем преобразования теплоты в электроэнергию эта граница, возможно, опустится до 100°С. Во всяком случае по этой границе геотермальные источники делятся на пригодные для выработки электроэнергии или только теплоты.
Геотермальная теплота в очень редких случаях сама выносится на поверхность в гейзерах, горячих источниках, фумаролах. В большинстве же случаев использование геотермальной энергии предполагает обязательное бурение скважин, глубина которых колеблется от 300 до 2000 м и более в зависимости от местных условий. В случае гидро- и паротермальных источников давления, существующего в глубоких слоях земли, бывает достаточно, чтобы через пробуренную скважину пар или вода самотеком выходили на поверхность. Далее эти пар или вода либо непосредственно направляются для использования — для привода паровых турбин или для отопления теплиц, жилых и административных зданий, либо отдают свою теплоту в теплообменнике вторичному теплоносителю, который затем используется в тех же целях. Вторичный теплоноситель применяется в тех случаях, когда геотермальная вода сильно минерализована (иногда концентрация солей в геотермальной воде очень велика и доходит до пределов растворимости).
Бурение скважин, включая разведочное бурение, представляет собой наиболее дорогостоящую часть затрат на освоение геотермального источника. Такая скважина, особенно глубинная, представляет собой сложное инженерное сооружение. Диаметр скважины обычно ступенчато убывает с глубиной. До глубины 100 м он составляет около 450 м, до глубины 1000—1800 м —250 мм и далее еще меньше. Такая скважина может выдавать в час около 50 т пара или около 1000 т горячей воды.
Стоимость проходки такой скважины может составлять oт 350 до 500 тыс. долларов США. Если к этой стоимости добавить стоимость оборудования, то она достигает 1,5 млн. долларов США. Одна такая скважина в зависимости от параметров пара или воды может обеспечить электрическую мощность от 2 до 7 МВт. Таким образом, например, для электростанции мощностью 100 МВт может понадобиться от 15 до 50 скважин. Скважины нельзя располагать близко друг к другу, ибо при этом их производительность будет снижаться. Считается, что на каждую скважину должна приходиться площадь примерно 100 000 м2. Некоторые авторы рекомендуют выбирать ее не менее 1 млн. м2. Такие большие расстояния затрудняют и удорожают строительство собственно геотермальной электростанции.
Сегодня в мире нет еще достаточного опыта, чтобы надежно оценить все стоимостные показатели геотермальной энергии, но ясно, что, за исключением некоторых особо благоприятных случаев, ее нельзя отнести к разряду дешевой.
Ниже приведены суммарные электрические мощности, МВт, геотермальных электростанций в различных странах на конец 1975 г. Из этих данных видно, что освоение геотермальной энергии, даже в ее простейших формах, находится пока еще в начальной стадии:
Сальвадор 30
Исландия 3
Италия 417
Япония 35
Мексика 75
Новая Зеландия 190
США 502
Запасы геотермальной теплоты в виде термальных вод в Советском Союзе относительно невелики. Прогнозные запасы для глубин до 3 км составляют 25— 30 млн. м3/сут, из которых 75% имеет температуру 40— 60°С, 20% — 60—80°С и лишь 5% — более 80°С. Такая низкая температура затрудняет использование геотермальной теплоты для производства электроэнергии, и только редкие источники оказываются пригодными для этой цели. Так, в СССР на Камчатке с 1967 г. эксплуатируется Паужетская геотермальная электростанция мощностью 2,5 МВт. В других районах страны делаются попытки использовать геотермальные воды для отопления, горячего водоснабжения, для нужд сельского хозяйства, но масштабы этих установок невелики.
Особенно сложной и пока недостаточно изученной представляется проблема использования петротермальной энергии. Для получения теплоты от сухих горных пород в них необходимо создать трещиноватость или пористость. Рассматривается возможность использования для этой цели подземных, в том числе и термоядерных взрывов. Обсуждается гидравлическое раздробление пород путем закачки в специально пробуренную скважину больших количеств воды под очень высоким давлением. Если необходимая трещиноватая структура создана, то собственно извлечение теплоты может быть осуществлено по следующей схеме. На некотором расстоянии друг от друга пробуриваются две скважины. Между ними должны существовать каналы в виде трещин или пор. В одну из этих скважин с поверхности под давлением закачивается вода. По порам и трещинам, по дороге отбирая теплоту от окружающих пород, она проходит ко второй скважине, и по ней поднимается на поверхность.
Эта на первый взгляд простая схема в действительности таит в себе много трудностей. Во-первых, проблемой является само создание необходимой трещиноватой структуры. Ведь для того чтобы с одной пары скважин можно было длительно получать большие количества теплоты, обе скважины должны быть разнесены на возможно большее расстояние. Но при этом создание необходимой структуры становится особенно сложным. Во- вторых, поры и трещины всегда окажутся неодинаковых размеров, по большим трещинам будет проходить больше воды, которая не будет успевать нагреваться. Со временем эти большие трещины будут еще больше размываться, что еще более увеличит неравномерность потоков воды через трещины. В ряде стран ведутся специальные исследования, призванные разрешить эти и другие вопросы использования геотермальной теплоты. Не следует думать, что геотермальная энергия вполне безвредна с точки зрения воздействия на окружающую среду.
Когда речь идет об извлечении больших количеств термальных вод, необходимо считаться с тем, что в них растворено много вредных веществ, таких, как мышьяк, селен, ртуть. Из геотермальных вод выделяются вредные газы: сероводород, углекислота, аммиак и т. п.
Сбрасывать такую воду в естественные водоемы можно далеко не всегда. Извлечение больших количеств воды и пара на поверхность может повлечь за собой неустойчивости земной коры и землетрясения. Достаточно радикальным является метод обратной закачки в скважину использованных термальных вод, который позволяет избежать обеих неприятностей. Но такая закачка удорожает эксплуатацию геотермальных месторождений.
В заключение отметим, что для широкого освоения геотермальной энергии сегодня в большинстве случаев еще недостаточно необходимой геологической информации. Поэтому именно на этих вопросах будет, по-видимому, сосредоточено внимание в ближайшие годы.
