ГЛАВА 4
ГЕОТЕРМИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
В этом разделе нам предстоит познакомиться с проблемой практического освоения потока тепла, поступающего из земных недр. История этой проблемы началась еще в прошлом веке с первых итальянских ГеоТЭС, но до сих пор не получила должного развития.
Как мы увидим, изучая состояние дел, имеются еще важные, нерешенные вопросы. Но дело никак нельзя считать безнадежным.
4.1. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ОЧАГОВ ТЕПЛА
Тепловое состояние и тепловая история земных недр определяются совокупным воздействием внутрипланетных и космических процессов.
Внешнее воздействие на тепловой режим Земли оказывают Солнце, звезды и галактики, чью радиацию и различного типа излучения наша планета получает непрерывно. На примере процессов, протекающих в атмосфере и океане, мы смогли убедиться в том, что солнечная радиация воздействует лишь на тонкую оболочку Земли.
Однако с увеличением глубины, как это установлено при проходке шахт и бурении скважин, происходит рост температуры. Последнее обстоятельство свидетельствует о существовании источников энергии внутри Земли.
Крупномасштабное выделение тепла обеспечивают следующие процессы: распад радиоактивных элементов, химические и фазовые превращения, сопровождающиеся возникновением креационно-диссипативных структур, и, наконец, приливные явления.
Радиогенное генерирование тепловой энергии связано главным образом с распадом урана, тория и калия, сосредоточенных в верхних слоях Земли. Общее количество тепла, выделившегося за счет радиоактивного распада, оценивают в пределах (0,6—2,0)·1031 Дж [222].
Примерно 1,2·1031 Дж тепла могло выделиться в недрах Земли в результате химических и фазовых превращений [223].
Тектонические процессы, как мы знаем из предыдущих термодинамических расчетов, преобразуют в механическую энергию, а затем в тепло менее одного процента химической энергии взаимодействующих веществ.
Под воздействием притяжения Солнца и Луны происходит деформация Земли. Высвобождающаяся при этом энергия идет на разогрев планетного материала. Общее количество тепла, выделившегося в результате земных приливов за время существования Земли, составляет примерно 30 % от тепла радиогенного происхождения [78].
Мощность всего теплового потока, идущего из недр планеты, достигает 25 ТВт, что примерно в 8 раз превышает мощность электростанций Мира [10, 12, 78].
Тем не менее этот поток в четыре тысячи раз меньше того, что поступает на Землю от Солнца.
Плотность теплового потока в различных районах планеты неодинакова. Наименьшее ее значение фиксируется в областях развития древних кристаллических щитов; повышенные значения плотности теплового потока регистрируются, как правило, в относительно молодых складчатых районах, с которыми связан современный вулканизм. Для тектонически активных областей плотность достигает величины 0,1 Вт/м2. Как уже говорилось, более точные значения теплового потока можно найти на основе оценки скорости химических и фазовых превращений.
Пальму первенства в развитии тектонических процессов необходимо отдать реакциям сплавов кремния с водой, проникающей в глубину сквозь земные разломы.
В самом деле, крайне трудно себе представить, что основная масса радиоактивных веществ сосредоточена именно в зонах тектонических сдвигов. Об этом же свидетельствует низкая радиоактивность магмы, изливающейся во время извержений вулканов.
Ориентируясь на опытные данные, можно сказать, что радиоактивные вещества, распадаясь, повышают температуру недр и тем самым способствуют протеканию химических реакций.
Циркулирующая на больших глубинах вода нагревается до значительных температур и может быть выведена на поверхность по буровым скважинам. В вулканических районах термальные воды, поднимающиеся к поверхности по трещинам в земной коре, имеют наиболее высокую температуру. Иногда из гидротермальных источников поступают парожидкостные потоки с температурой 200—300 °С (Паужетское месторождение на Камчатке, Большие Гейзеры в США, Уайракей в Новой Зеландии, Лардерелло в Италии и др.) [82].
Естественная циркуляция потоков выносит к земной поверхности лишь незначительную часть выделяющегося во время реакций тепла. Основная же его масса путем теплопроводности распространяется во всей толще Земли.
Надежду на освоение петротермальных источников многие связывают с проведением подземных термоядерных взрывов. Полагают, что таким способом можно добиться растрескивания горячих сухих горных пород. Затем через множество трещин собираются закачать воду, а образующийся пар отвести к энергоустановкам, расположенным на поверхности [224, 225].
В свете развиваемой здесь теории литосферных процессов реализация термоядерных взрывов приведет к тяжелым последствиям. Вполне возможно, что подземные взрывы интенсифицируют глубинные реакции, что, в конечном счете, будет сопровождаться возникновением горных хребтов. Появление этих сооружений в непредсказуемом месте изменит розу ветров. Дальнейший сценарий нам уже известен: компрессионный эффект затормозит вращение Земли, и двигающийся по инерции океан смоет города Европы, Среднего Востока и Западной Африки. Через многочисленные ущелья Кордильер вода проникнет на низменности Америки и затопит ее населенные пункты. Не поздоровиться и Австралии. Безопасным останется лишь одно место — Антарктида.
Вряд ли такая перспектива говорит в пользу подземных термоядерных взрывов. Единственной альтернативой подземным взрывам является глубинное бурение. При этом предстоит развить способы телескопического бурения, позволяющего объединить в глубине отдельные скважины коллекторами малого сечения. Возможно также стимулирование геотермических скважин с помощью химических взрывов невысокой мощности.
Прокачивая воду через сеть коллекторов с пористыми стенками, удастся снять значительные количества тепла.
В заключение данного раздела оценим энергетический потенциал земных недр. Основными зонами вулканической активности и геотермальных месторождений являются: Тихоокеанский пояс, тянущийся вдоль побережья Тихого океана, группа островов, расположенных в районе Срединно-Атлантического Хребта, рифтовая зона восточной Африки и Среднего Востока, а также пояс горообразования, простирающийся от Средиземноморского бассейна Европы через Азию к Тихому океану (рис. 20). Значительные площади геотермальных месторождений находятся на побережье Мексиканского залива США, в обширных областях Западной Сибири, в северной части Альп, в Карпатах, на Крымском полуострове.
Мы видим, что тектонически активные зоны занимают примерно десять процентов поверхности Земли и, следовательно, можно говорить об освоении в перспективе потока тепла мощностью 2,5-3 ТВт. С учетом КПД подземных генераторов тепла и наземного энергетического оборудования установочная мощность геотермических электростанций может составить 1,0—1,2 ТВт.
Ведется интенсивная разведка перспективных для строительства станций зон на Земле. Так, например, тепловая мощность шести районов Камчатки с активной вулканической деятельностью достаточна для постройки геотермических электростанций мощностью до 365 МВт, а при освоении месторождений до глубины 3 км запасы мощностей возрастают до 400-800 МВт [224, 226].
Рассматриваются аналогичные проекты для Сибири и Дальнего Востока. Здесь выявленные запасы термальных вод составляют 3,35 млн. м3/сутки. Использование этого ресурса позволило бы сэкономить 8,5 млн. т/год ценного топлива [227]. Ряд перспективных проектов предложен для Крыма и Карпат [228].
