Нетрадиционные источники энергии - Геотермальная энергия

Во всем мире уделяется большое внимание различным источникам энергии, не связанным со сжиганием топлива. К числу таких источников можно отнести внутриземное тепло. В районах вулканизма, где горные породы прогреты местами до самой поверхности, оно проявляется в виде горячих ключей, кипящих грифонов, гейзеров, паровых струй с высокой температурой. В невулканических районах — это преимущественно глубинные термальные воды.
Горячие воды могут быть использованы для выработки электроэнергии, в коммунальном теплообеспечении и технологических целях, соленые — в бальнеологии, рассолы — в качестве промышленного сырья.
Для практического использования горячей воды земных недр требуется создание в непроницаемых горных породах трещин большой протяженности. Принципиальных технических трудностей для создания таких трещин нет.
Первая система извлечения тепла Земли из непроницаемых горных пород путем циркуляции теплоносителя в трещине, созданной гидроразрывом, была сооружена в 1977 г. по проекту Лос-Аламосской научной лаборатории в штате Нью-Мексико (США). Нагнетаемая по скважине холодная вода нагревалась за счет теплообмена с массивом горячих гранодиоритов (185° С) в вертикальной трещине площадью 8000 м², образованной гидроразрывом на глубине 2700 м. По другой скважине, которая пересекает эту трещину, перегретая вода, вскипая, выходит на поверхность в виде пара. При циркуляции в замкнутом контуре под давлением температура перегретой воды достигала 160—180° С, а тепловая мощность системы 4—5 мВт. Утечки теплоносителя составляют около 1 % общего расхода тепла. По концентрации механических и химических примесей водяной пар соответствовал кондициям пресной питьевой воды. Трещина гидроразрыва не требовала крепления и поддерживалась в раскрытом состоянии гидростатическим давлением. Уменьшение объема пород при их охлаждении приводило к увеличению среднего раскрытия трещины от 0,2 до 1,0 мм и к пятикратному снижению гидравлического сопротивления системы. При разности температур горной породы и воды более 75° С зафиксировано развитие вторичных трещин, увеличивающих общую теплообменную поверхность системы.
За время работы циркуляционной системы не обнаружено ни повышения сейсмической активности, ни каких-либо иных вредных воздействий на окружающую среду.
На юге Великобритании по контракту с Европейским сообществом в 1977—1980 гг. проведена первая фаза исследований, которая включала проходку 4 скважин диаметром 150 мм и глубиной 300 м и образование трещин гидроразрыва. Опыты, проведенные Кимборийской горной школой, показывают, что образование трещин осуществляется значительно интенсивнее после небольшого предварительного взрыва. В частности, потери воды не превышают 1 %, а гидравлическое сопротивление снижается в 10 раз.
Для условий Херсона произведен расчет подземной циркуляционной системы, которая отличается от системы в США тем, что с целью удешевления буровых работ нагнетательная скважина выполнена с четырьмя ответвлениями. В каждом из ответвлений наклонных скважин предполагается производить гидроразрыв. Максимальная глубина нагнетательной скважины составит 4200 м, количество гидроразрывов, которое будет проводиться в каждой из ответвленных наклонных скважин, будет равно 10. Предполагается, что при каждом гидроразрыве образуется в среднем две вертикальные трещины. Таким образом, в расчетах принимается во внимание, что для каждого из ответвлений образуется 20 трещин.
Подъемная скважина обычно бурится после проведения гидроразрыва в нагнетательной скважине. Эта скважина наклонная с двумя ответвлениями. Максимальная глубина подъемной скважины 3700 м.
Одна нагнетательная и две подъемные скважины образуют модуль подземной циркуляционной системы, который работает практически независимо от соседних модулей. Расстояние между нагнетательной и подъемной скважинами 150 м. Длина модуля под землей около 1200 м.
Проведение гидроразрывов в нефтяных пластах освоено на Украине объединением «Долинанефтегаз». Максимальная стоимость гидроразрыва, по данным «Долинанефтегаза», составляет 10—12 тыс. руб., в расчетах принимается 20 тыс. рублей.
Академией наук УССР, Министерством энергетики и электрификации СССР разработано технико-экономическое обоснование целесообразности использования геотермальной энергии для теплоснабжения городов, в частности Херсона, Краснодара, Прикумска и некоторых других.
На полуострове Камчатка и близлежащих Курильских островах находится около 70 действующих вулканов. Любой из них можно считать гигантской подземной кочегаркой. Например, в районе Петропавловска-Камчатского под Авачинской сопкой находится несколько десятков кубометров горячей воды. На этом тепле могли бы работать десять электростанций мощностью в миллион киловатт каждая в течение 200 лет. Сооружение Паужетской геотермальной электростанции показало, что такая станция высокорентабельна и не загрязняет окружающей среды. Паужетская ГТЭС вошла в строй в 1967 г. Ее мощность около 11 тыс. кВт. Себестоимость энергии здесь в три раза ниже, чем на дизельных электростанциях той же мощности.
Под пристальным вниманием ученых Института вулканологии Академии наук СССР находится вулкан Мутновский, вблизи которого планируется сооружение геотермальной электростанции мощностью в 200 тыс. кВт. Геологоразведочные работы на Мутновском геотермальном месторождении, расположенном примерно в 70 км от Петропавловска-Камчатского, начались в 1978 г.
В пригороде Петропавловска-Камчатского Паратунке термальными водами отапливают тепличный комбинат, закладываются рыборазводные пруды, отапливается поселок. В Паратунке имеются плавательный бассейн и бальнеологическая лечебница.
В 60 км от Петропавловска-Камчатского выявлено еще одно Больше-Банное месторождение, из которого по скважинам выводится на поверхность около 300 кг за секунду смеси пара с водой при температуре 170—180°.
Таким же вулканическим районом является Исландия. О наличии геотермальных источников в различных районах Исландии было известно еще со времен ее первых поселенцев, но лишь в XX в. тепло этих источников стали использовать не только для стирки и купания, на и для промышленных целей.
Бурение для добычи горячей воды было начато в Рейкьявике (в районе Твотталаугар) в 1928 г. В 1930 г. горячую воду этого источника стали использовать для отопления зданий.
Общая глубина скважин, пробуренных службой теплоснабжения и государственных организаций, составляла в Исландии в конце 1963 г. около 36 км. Самая глубокая скважина имеет глубину 2200 м. Максимальное количество горячей воды с температурой 86 °C, получаемой таким образом, составляет приблизительно 1050 м³/ч.
Построены геотермальные станции. На Филиппинах мощность этих станций составляет более 900 тыс. кВт, в Новой Зеландии — 202 тыс. кВт.