Возобновляемые источники энергии на службе - Использование геотермальной энергии

Одним из перспективных направлений использования геотермальной энергии является строительство геотермальных тепловых электростанций (ГеоТЭС) на базе самоизливающихся источников. В настоящее время ГеоТЭС общей мощностью 1440 МВт функционируют в 12 странах мира, в том числе в США — 510, Италии —  420, Новой Зеландии — 200, Японии — 168, Мексике — 80. В нашей стране электростанция, использующая геотермальную энергию, была построена в 1968 г. на реке Паужетке на Камчатском полуострове. Ее первоначальная мощность составляла 5,4 МВт, сейчас она доведена до 11 МВт. Для выработки электроэнергии используется пароводяная смесь с температурой около 200° С. Многолетний опыт эксплуатации Паужетской ГеоТЭС показал ее надежность и эффективность.
Ведется строительство Мутновской ГеоТЭС — первой в СССР станции промышленного масштаба мощностью 200 МВт. Для выработки такой мощности необходимо пробурить 58 эксплуатационных скважин, в том числе 28 глубиной 1500 м и 30 глубиной 2500 м. Разведочное бурение в районе строительства ГеоТЭС показало малую минерализацию пара, что упрощает условия эксплуатации станции. В целях защиты окружающей среды, что особенно важно для Камчатки, где в большинстве рек происходит нерест ценных рыб, а также для поддержания материального баланса месторождения будет осуществляться закачка отработанных термальных вод в подземные пласты.
Камчатка — единственный в стране район современного вулканизма. Отсутствие здесь местных топливных ресурсов, высокая стоимость транспортировки топлива делают электроэнергию, произведенную ГеоГЭС, конкурентоспособной но отношению к «обычной» электроэнергии, выработанной станциями на органическом и даже ядерном топливе.
Европейская часть нашей страны также располагает месторождениями геотермальных источников энергии. В настоящее время изучается возможность создания ГеоТЭС мощностью 100—200 МВт на Северном Кавказе, в Крыму и Закарпатье. Предполагается, что функционирование данных станций будет осуществляться за счет так называемых циркуляционных систем. Принцип их действия следующий. Нагнетаемая через скважины поверхностная вода вытесняет паровоздушную смесь из существующих подземных пористых резервуаров-коллекторов, нагреваясь, в свою очередь, и вытесняясь следующей порцией воды. В качестве закачиваемой воды может быть использована также вода, полученная от конденсации пара после прохождения через турбины. Создание циркуляционных систем позволит получать с глубин 3,5—4 км теплоноситель, подогретый до температуры выше 150° С. Для отработки технических решений будущих ГеоТЭС планируется в ближайшее время построить две-три станции мощностью до 10 МВт.
Однако существуют серьезные научно-технические проблемы, связанные с повышением эффективности работы ГеоТЭС, и прежде всего сохранение пара высокого давления на выходе из скважин, а следовательно, на входе в турбину. В подземных резервуарах пар находится под достаточно большим давлением — примерно 30 атм, а у поверхности Земли давление пара падает до 10 атм. В этих условиях КПД станции не превышает 15—16%, тогда как в современных типовых станциях он достигает 40%. Следовательно, для получения той же самой мощности необходимо увеличивать расход пара через турбину примерно в 2,5 раза. Обычно одиночная скважина производит пара около 20 кг/с, что достаточно для вращения турбины примерно в 7 МВт. Для вращения более мощных турбин нужно несколько скважин, соединенных между собой. Расход пара из скважины медленно падает со временем ее эксплуатации, и в среднем период «жизни» скважины мощностью 5 МВт составляет около 15 лет. Продление «жизни» скважины является серьезной проблемой, от решения которой во многом зависят масштабы строительства ГеоТЭС такого типа.
Другим перспективным видом использования тепла Земли могут быть ГеоТЭС на основе петротермальной энергии. Идею использования «сухого» глубинного тепла Земли обосновал академик В. Λ. Обручев. Породы, разогретые до 100—150° С, на глубинах 4—5 км встречаются повсюду, а больше половины земных недр на этой глубине раскалены до 180—200° С. Этого уровня температур достаточно для производства пара в количествах, необходимых для вращения турбин электростанции.
Для ГеоТЭС, использующей «сухое» тепло, необходимо пробурить две скважины. По одной подается холодная вода с поверхности Земли, вторая служит для отбора пара или горячей воды, полученных в подземной полости — своеобразном котле. Иногда природа сама создает подходящие условия для таких ГеоТЭС. В этом случае на глубине с достаточно высокой температурой имеются породы с пористой структурой и трещинами, т. е. существуют хорошие условия для теплообмена.
Большие проблемы возникают, если таких структур пет, а температуры на данных глубинах достаточно высоки для получения пара или горячей воды в больших количествах. Тогда применяется гидродинамический взрыв, при помощи которого образуются требуемые для организации эффективного теплообмена структуры.
Как правило, такие ГеоТЭС работают по замкнутому циклу. Вода, первоначально закаченная в скважину, превращается в пар в подземном котле и поступает через «паровую» скважину на поверхность Земли, а после прохождения через турбины конденсируется и снова возвращается в «водяную» скважину. Это позволяет экономить пресную воду и избегать загрязнения окружающей среды, так как выходящий пар может содержать вредные примеси.
«Сухое» тепло Земли можно использовать не только в ГеоТЭС, но и для обогрева зданий, в сельскохозяйственном производстве. Поэтому применение циркуляционных систем весьма перспективно. Например, блок из двух скважин способен доставить па поверхность Земли 80—200 млн кДж/ч, т. е. обеспечить теплом дома, где проживает 10-15 тыс. жителей, а в южных районах — до 20 тыс. человек.
Тепло Земли для обогрева помещений находит широкое применение во многих странах мира, и особенно в районах с повышенной вулканической активностью. Исландия первой начала использовать геотермальные ресурсы для тепла и водоснабжения в коммунальном хозяйстве. Практически все крупные населенные пункты в этой стране, включая Рейкьявик, имеют системы теплоснабжения, питающиеся за счет геотермальных источников.
Начав совсем недавно, в 70-х годах, работы по применению геотермальной энергии для отопления, Франция занимает в настоящее время ведущее положение в данной области. Более 25 тыс. квартир в Парижском районе отапливается с помощью геотермальной энергии. Планируется расширение отопительной сети на 50 тыс. квартир.
У нас в стране геотермическим теплом и горячей водой снабжаются около 150 тыс. жителей городов и поселков на Кавказе и Камчатке. Планируется обеспечить горячей водой геотермальных источников такие крупные города, как Алма-Ата, Грозный, Тюмень, Омск. Успешно эксплуатируются геотеплофикационные сети в Махачкале, Кизляре, Тбилиси и в других городах.
Существует много различных систем отопления и горячего водоснабжения. Одна из самых простых действует в Тбилиси. Рассмотрим принцип ее действия. Температура горячей воды, получаемой из самоизливающейся скважины, колеблется между 57 и 65° С; минерализация воды менее 0,3 г/л; производительность скважины 2 тыс. м³/сут. Термальная вода через трубопровод поступает в распределительный бак емкостью 5 тыс. м³, который расположен выше жилого отапливаемого массива. Отсюда самотеком она поступает потребителям. Благодаря хорошей теплоизоляции трубопроводов и распределительного бака потери тепла при подаче воды от скважины к потребителю незначительны, а падение температуры воды не превышает 1,5° С. Поскольку в термальной воде, получаемой из скважины, содержится сероводород, в схеме имеется дегазатор.  Система обеспечивает горячей водой один из микрорайонов Тбилиси.
Термальные воды, имеющие слабую минерализацию, нс требуют применения сложных и дорогостоящих схем. Однако, если они содержат много солей и имеют высокую температуру, приходится делать теплообмен- пик. В нем горячая термальная вода отдает тепло пресной, которая затем и подастся потребителю. В качестве теплообменников применяются, как правило, обычные змеевики. Правда, выпадение солей на трубках повышает термическое сопротивление стенок, а следовательно, ухудшает процесс теплообмена.
В других схемах используется догрев термальных вод в котельной в периоды, когда требуется повышение температуры теплоносителя, поступающего в отопительную систему. Эффективность схем отопления значительно повышается при наличии теплового насоса. Принцип его действия таков: горячая вода из скважины подается в испаритель, где ее тепло передается жидкости, кипящей при низких температурах. Образующиеся пары проходят через компрессор и направляются в конденсатор, где конденсируются при более высоком давлении, передавая при этом тепло воде, используемой в отопительной системе. Схемы с тепловым насосом могут утилизировать термальную воду с довольно низкими температурами, максимально допустимый уровень которых зависит от вида низкокипящей жидкости. Однако эксплуатация тепловых компрессионных насосов требует подключения их к электросети и связана со значительными затратами электроэнергии.
Несмотря па ряд серьезных научно-технических проблем, таких, как борьба с коррозией систем, повышение эффективности теплообменных устройств в условиях выпадения солей, использование отработанных термальных вод и т. д., целесообразность геотермального теплоснабжения с экономической точки зрения очевидна, так как опа позволяет сохранять в значительных объемах традиционные топлива.
Большую эффективность показало применение горячих источников в сельском хозяйстве, и в первую очередь для обогрева теплиц. В этой области накоплен богатый практический опыт. В Исландии первые теплицы па геотермальном тепле были построены в 20-х годах. Сейчас в стране насчитывается более 350 тыс. м² 
теплиц и оранжерей, отапливаемых геотермальным теплом. За счет этого ежегодно экономится до 300 тыс. тут.
Быстрыми темпами развивает геотермальное хозяйство теплиц Венгрия. Уже сейчас площадь, занятая ими, составляет около 500 тыс. м². К 1990 г. планируется увеличить площади тепличного хозяйства, обогреваемого за счет термальных вод, до 13 млн м². При этом будет сэкономлено 500 тыс. тут/год.
В Советском Союзе общая площадь теплиц с геотермальным отоплением составляет более 700 тыс. м². Крупные тепличные хозяйства на термальных водах созданы на Северном Кавказе (в Дагестане и Ставрополье).
В Краснодарском крае па основе Мостовского геотермального месторождения создано тепличное хозяйство площадью 180 тыс. м². Его продукция обходится на 35% дешевле выпускаемой аналогичным тепличным комбинатом, но отапливаемым мазутом. Исключение котельной из отопительной системы позволило сэкономить 1,8 млн руб. капитальных вложений. Кроме того, ежегодно сохраняется до 30 тыс. тут.
Тепличные хозяйства не единственная отрасль в сельскохозяйственном производстве, где применение термальных вод дает ощутимую выгоду. Отопление животноводческих комплексов, подогрев питьевой воды для скота в зимний период, использование отработанной воды в рыборазводных прудах не менее перспективные области утилизации геотермального тепла.
Как показывает опыт, наиболее целесообразны комплексные геотермальные сельскохозяйственные схемы. В таких схемах горячая вода из скважины сначала поступает в отопительную систему теплиц, где срабатывает перепад температур в 25°. Затем воду с температурой около 50° С можно направить на животноводческие фермы, а с температурой 25—30° С — через отстойники в пруды. Все эти операции рассчитаны в основном на холодные периоды года. В летнее же время геотермальную воду необходимо использовать на полив овощей, выращиваемых на открытом грунте. При этом урожайность повышается на 25—30%. Горячие геотермальные воды могут применяться и в строительстве (термообработка бетона), при мойке шерсти, сушке древесины и в других технологических энергоемких процессах.
Исключительную роль геотермальные источники играют в лечении различных заболеваний. Почти все термальные воды с высокой температурой независимо от их химического состава обладают лечебными свойствами.
Другой важный аспект применения геотермальных источников — возможность извлечения из воды ценных химических элементов и различных соединений: йода, брома, поваренной соли, борной кислоты, щелочей, серы, глауберовой соли и т. д.
Незначительные масштабы использования геотермального тепла пока не позволяют говорить о негативном влиянии этого источника энергии на природную среду и организм человека. Однако в ближайшем времени они могут проявиться, и их нужно избежать. В геотермальных водах обнаружены такие примеси, как нитриды, хлориды и сульфиды различных металлов, концентрация которых не представляет вреда для природы и человека. Одпако в горячей воде и паре содержатся и опасные элементы — бор и мышьяк. В эксплуатируемых геотермальных источниках общее количество этих примесей не превышает 1,5%. С ростом же глубины и масштабов использования геотермальной энергии их содержание может значительно возрасти и, следовательно, оказать негативное влияние на живые организмы. Поэтому особенно важен опыт создания и работы циркуляционных систем, которые позволят избежать попадания веществ в окружающую среду.
Геотермальные источники выделяют значительное количество сероводорода, который в малых количествах не вреден. В больших концентрациях сероводород весьма токсичен и представляет собой серьезную опасность для живых организмов. Будучи более тяжелым газом, чем воздух, он скапливается вблизи поверхности Земли и поэтому оказывает отрицательное воздействие, прежде всего па организм человека.
Геотермальные источники выделяют в атмосферу метан, аммиак, углекислый газ. Все это, вместе взятое, имеет определенный негативный эффект. Однако он значительно меньше, чем в случае обычных энергетических устройств в пересчете на единицу мощности. Наблюдения показывают, что, например, загрязняющий эффект от функционирования ГеоТЭС, работающей на природном паре, аналогичном пару месторождения Большие Гейзеры в США, по содержанию серы в 4 раза, а по углекислому газу в 20 раз меньше, чем на ТЭС одинаковой мощности, работающей на угле.
Геотермальная энергетика связана с неизбежным выводом на поверхность Земли больших объемов воды. Сброс отработанных термальных вод может вызвать заболачивание отдельных участков почвы в условиях влажного климата, а в засушливых районах — засоление. Эти явления чреваты деградацией земельных угодий. Весьма опасен в этой связи прорыв трубопроводов. В результате на землю будут выброшены большие количества крепких рассолов.
В настоящее время уже разработаны методы по избежанию этих негативных явлений. Одним из них является создание циркуляционных систем, в которых отработанные воды закачиваются обратно в пласт. В результате пластовое давление поддерживается па достаточно высоком уровне и даже увеличивается, возрастают дебиты и исключается прямой контакт этих вод с окружающей средой. Вместе с тем имеется ряд ограничений по применению данного метода. Закачка вод требует затрат электроэнергии, а также приводит к выделению твердых минералов в скважинах и трубопроводах и т. д., что затрудняет их эксплуатацию.
В некоторых случаях использование термальных вод может вызвать «тепловое загрязнение» водоемов. Это явление наблюдается в тех случаях, когда срабатывается незначительный температурный перепад, в 20—25° С, а основной запас энергии выбрасывается с водой. В итоге повышается температура поверхностных слоев воды в водоемах до 40—50° С, что неизбежно приводит к изменению их флоры и фауны, а следовательно, и к нарушению экологического равновесия. Однако эти изменения носят локальный характер, и их легко избежать, если предусмотреть комплексное использование как энергетических, так и химических ресурсов геотермальных источников.
В целом разработки и эксплуатация геотермальных месторождений наносят незначительный ущерб природе и человеку, особенно если сравнивать этот ущерб с традиционными источниками энергии. А главное то, что уже сейчас известны и проверены на практике методы сведения этого ущерба к минимуму. Несмотря на некоторое удорожание при этом геотермальных энергосистем, они остаются по-прежнему экономически эффективными.