Геотермальная энергетика — от горячих источников до глубинных горячих пород

Заставить работать глубинное тепло Земли непросто и дорого, но все затраты окупаются ее независимостью от капризов внешней среды, а запасы — неисчерпаемы.

Общий вид Мутновской геотермальной станции на Камчатке мощностью 50 МВт

Фото: Сергей Алексеенко

Как известно, в 2016 году РФ в числе 196 государств подписала в Париже международное соглашение об отказе от углеводородного топлива начиная с 2020 года, для снижения выбросов углекислого газа в атмосферу и приостановки глобального потепления. Тогда же инновационная энергетика с использованием возобновляемых источников энергии была объявлена одним из главных направлений научно-технологического развития России.

Между тем геотермальной энергетике, которая по всем показателям выглядит наиболее перспективной в этом плане, пока не уделяется должного внимания. В рамках реализации комплексных научно-технических программ (КНТП) ученые Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН разработали проект развития геотермальной энергетики. О нем «Ъ-Науке» рассказывает руководитель секции по возобновляемой энергетике Совета по приоритетному направлению «Энергетика» РФ, лауреат премии «Глобальная энергия», академик РАН Сергей Алексеенко.

Подземное тепло

Возобновляемые источники энергии все чаще становятся предметом обсуждения. Сначала они казались мечтой, затем далекими планами, в которые нерентабельно вкладывать средства, если есть запас углеводородов. Но с каждым годом тема возобновляемых источников приобретает все большую актуальность и уже рассматривается на совещаниях государственного уровня как необходимый раздел экономики с вполне обозримыми планами. От угля в качестве базового топлива многие страны уже отказались, хотя здесь тоже нужны разумные действия.

Чаще всего под возобновляемой энергией понимают энергию ветра и солнца, но эти источники очень нестабильно работают и полностью зависят от географии, ландшафта, времени суток и погоды. Кроме того, как ни парадоксально, и солнечные, и ветряные технологии наносят заметный вред экологии — в лопастях ветряков гибнут тысячи перелетных птиц, а солнечные батареи закрывают от солнца тысячи гектаров земли, на которой уже ничего не может расти, и, как следствие, эти обширные площади становятся мертвыми зонами. В качестве локального источника возобновляемой энергии небольшой мощности используется также малая гидроэнергетика. Но единственный по-настоящему экологичный, безотходный и, самое главное, неисчерпаемый ресурс — это подземное тепло, на котором базируется геотермальная энергетика.

Геотермальная система тепло- и энергоснабжения с использованием глубинного тепла Земли требует для своего развития больших затрат, сравнимых с вложениями в разработки термоядерных установок. Но, в отличие от солнечной и ветряной энергетики, она функционирует стабильно и не зависит ни от времени дня, ни от времени года, ни от перемен погоды, ни от изменений климата. Все это объясняется наличием запасенного тепла в ядре Земли и дополнительного тепла, которое образуется от распада радиоактивных изотопов,— реакция происходит в глубинах земной коры и не оказывает негативного действия на обитателей планеты. Одна из недавних государственных программ развития геотермальной энергетики в США от 2019 года так и называется: «Извлечение тепла из-под ног».

Запас не нужен

Машинный зал Мутновской ГеоЭС, Камчатка

Фото: Сергей Алексеенко

Температура ядра Земли составляет более +4700°С. Наибольший выход тепла Земли происходит в вулканических зонах и по тектоническим разломам земной коры. Большинство из них находятся в удаленных зонах океанов — Тихого, Атлантического и Индийского. Однако несколько разломов расположены на материках, в том числе и в Евразии, на территории России. К 2050 году в США в пересчете на мощность планируют извлекать 60 ГВт в виде электрической энергии и 320 ГВт тепловой. По оценке экспертов, нормированная себестоимость глубинной энергии Земли составит всего 6 центов за кВт•ч.

Для сравнения, чтобы подчеркнуть гигантский потенциал, на сегодняшний день все теплоснабжение РФ составляет 175 ГВт. Важно отметить, что, хотя российская энергетика в большей мере основана на углеводородных топливах, нефтегазовые компании начинают интересоваться и геотермальными технологиями, поскольку в них возможно эффективно реализовать опыт нефтегазовой отрасли.

Одна из самых известных технологий использования низкопотенциального геотермального тепла для нужд теплоснабжения основана на применении тепловых насосов, которые позволяют экономить до 50% органического топлива. На сегодняшний день в США эксплуатируется 2 млн тепловых насосов, а к 2050 году их количество планируется увеличить до 28 млн. Фактически это означает, что насосы будут установлены в каждом частном домохозяйстве. В России число тепловых насосов составляет несколько десятков. Отчасти это объясняется обширными территориями с холодным климатом, где экономически не выгодно применять тепловые насосы, но все же возможно.

Сколько стоят скважины для извлечения глубинного тепла? Стоимость бурения скважины глубиной 10 км составляет около 2 млрд руб., а их нужно минимум две, чтобы в одну скважину закачивать холодную воду, а из другой добывать уже горячую воду или пар. Если пробурить скважину там, где находятся непроницаемые для поступающей воды породы, например, базальт, то нужно либо методом стимулирования естественных дефектов разрушать монолитную структуру базальтовой породы, либо применять технологию гидроразрыва, как в нефтегазовой промышленности, для образования сети микротрещин, а затем фиксировать эти трещины путем наполнения пропантом (песком). И тем не менее эти масштабные затраты окупаются благодаря бесперебойности подачи энергии и отсутствию необходимости запасать и хранить ее, что требуется при использовании солнечной и ветряной энергии. Ведь аккумуляторы большой емкости — это огромная статья расходов, и при этом еще не существует приемлемых технологий.

Литий из воды

В России самые подходящие территории для развития геотермальной энергетики — это Камчатка и Курилы, Северный Кавказ и район Байкала, где под поверхностью Земли наблюдаются высокие температуры на сравнительно небольшой глубине — 1–1,5 км. В Западной Сибири горячие породы также расположены относительно неглубоко. Каждая территория диктует свои условия и способы организации добычи и утилизации геотермальной энергии. В частности, в районах, где температура в скважине составит около +80°С, эффективно могут быть применены так называемые бинарные технологии — тепло от геотермальной воды через теплообменник передается фреону, кипящему при низких температурах, а пары фреона вращают турбину и электрогенератор, соответственно, производится электричество.

Впервые в мире небольшая геотермальная станция бинарного типа (815 кВт) была построена на Камчатке (Паратунская ГеоЭС) специалистами новосибирского Института теплофизики под руководством академика Самсона Кутателадзе, имя которого сегодня носит этот институт. Бинарные циклы — это перспективная технология, которую ИТ СО РАН планирует реализовать на территории России, поскольку основная часть скважин имеет сравнительно низкий тепловой потенциал. Кроме того, бинарные циклы можно успешно применять и в целях энергосбережения при утилизации сбросного тепла.

Геотермальной энергетике скоро 200 лет

О геотермальной энергетике многие думают как о горячих источниках воды у поверхности Земли, которые используются для локального энергообеспечения тех регионов, где они имеются в большом количестве. Например, в Исландии, где 30% генерации электричества обеспечивается при помощи технологий геотермальной энергетики, а остальные 70% — за счет работы ГЭС.

Реализация потенциала горячих источников воды — это, безусловно, наиболее высокорентабельный проект геотермальных технологий, но он является счастливым исключением, а не правилом. Ведь большая часть поверхности Земли не имеет горячих источников воды или вулканических выходов, тогда для использования подземного тепла на этих территориях требуется глубинное бурение.

Геотермальная энергетика подразделяется на гидро- и петротермальную, в зависимости от того, является ли источником энергии вода или сухие породы. Основной ресурс петротермальной энергетики — глубинные сухие горячие породы на глубине до 10 км (технически доступные глубины), где температура может достигать +350°С. По оценкам экспертов, даже при КПД в единицы процентов доступных запасов петротермальной энергии (на примере США) хватит на 20 тыс. лет.

Впервые геотермальное тепло для промышленного производства энергии было применено в 1904 году инженером-химиком принцем Пьеро Конти в Италии, на территории вулканической зоны в Тоскане. Этот год и считается годом рождения геотермальной энергетики. Но еще раньше, в 1827 году, граф Франсуа де Лардерель организовал в той же Тоскане производство борной кислоты, используя тепло подземных пород. Тепловая энергия от горячих источников преобразовывалась в электричество для работы химического производства. Сегодня, спустя почти 200 лет, на родине геотермальной энергетики в местечке Лардерелло провинции Тоскана производится 6,5% геотермальной энергии в мире.

В 1970 году подземное тепло из сухих пород было получено в США в национальной лаборатории Лос-Аламоса — этот год считается рождением петротермальной энергетики. Специалисты пробурили скважину глубиной 4 км, используя гидроразрыв для создания проницаемости породы, а вторую скважину пробурили с уклоном и не попали в область проницаемого резервуара. Эта ошибка стоила испытателям миллионов долларов. Тем не менее они не бросили свой эксперимент, а успешно его завершили, замкнув циркуляционную систему.

Кроме США, петротермальную энергетику развивают во Франции, Германии, Великобритании, Австралии и Японии. Общее число петротермальных систем составило всего 20 с максимальной глубиной бурения до 5,1 км. В целом совокупная установленная мощность сектора геотермальной энергетики во всем мире составляет 15 ГВт, из которых в США 3,7 ГВт, а в России — всего лишь 85 МВт, что пренебрежимо мало. Для сравнения, установленная мощность электроэнергетического сектора всей РФ — 250 ГВт.

Еще одно предложение заключается в том, что не обязательно заниматься новым бурением, а нужно обследовать уже имеющиеся отработанные нефтегазовые скважины в Тюменской области на предмет получения низкопотенциальной тепловой энергии. Таких освоенных скважин на территории России десятки тысяч, их глубина достигает 5 км, и измерить температуру на дне каждой из них не потребует особых затрат.

Кроме тепла, в геотермальной скважинной воде есть целый ряд полезных веществ, в частности, дорогостоящий литий. Разработкой технологий извлечения ценных веществ из геотермальной воды в РФ занимаются единичные коллективы — Институт проблем геотермии в Дагестане и Институт химии твердого тела и механохимии СО РАН в Новосибирске. Есть хороший опыт. Технологии по извлечению лития из водных рассолов были разработаны российскими учеными и внедрены в Китае еще в начале ХХI века.

В настоящий момент добыча лития остроактуальна для таких крупных производственных организаций, как НЗХК (Новосибирский завод химконцентратов) — флагмана атомной индустрии. Отечественного сырья на производстве не хватает, его приходится закупать в Чили. Извлечение лития и других ценных химических веществ из геотермальной воды — это одно из трех важнейших направлений в рамках проекта КНТП наряду с бинарными системами производства электричества на основе органического цикла Ренкина и тепловыми насосами для использования низкопотенциальной геотермальной тепловой энергии.

Большая часть инвестиций — частная

Машинный зал Паратунской бинарной ГеоЭС

Фото: Фото предоставлено ИТ СО РАН

В Красноярском крае есть уникальный город Дивногорск, который отапливается за счет электричества от ГЭС, а не от источников тепловой энергии. Электрический нагрев — это самый дорогой и невыгодный способ отопления. Оплаты от населения не хватает для покрытия расходов на выработку энергии, поэтому необходимы дотации. Этот пример — яркая иллюстрация избытка электрической энергии при очевидном дефиците тепловой. Холодная бескрайняя Россия остро нуждается в тепле, а электричества у нее всегда было в избытке. Но греться электричеством нерентабельно. Гораздо выгоднее поставить тепловые насосы, которые будут из Енисея, не замерзающего вблизи Красноярской ГЭС, брать воду и догревать до нужной температуры с использованием правильно подобранного фреона — низкокипящего рабочего тела. Фреон — летучее вещество, способное кипеть при низких температурах. К сожалению, сегодня в России нет производства необходимых фреонов. Технологии их производства необходимо развивать, профильные специалисты в этой области, к счастью, еще остались.

По расчетам экспертов, даже разницы в два градуса — от +4 до +2°С — достаточно, чтобы получить тепловую энергию за счет большого объема прокачанной через теплообменник воды. Экономика проекта посчитана совместно со специалистами Дивногорска. Эксперты пришли к выводу, что использование тепловых насосов позволит сократить размер выделяемых на энергетику города субсидий на 30%.

Сергей Алексеенко подчеркнул, что финансирование геотермальных технологий будет осуществляться только после веских научных доказательств их работоспособности и рентабельности. Разные разделы программы находятся в разной степени готовности — тепловые насосы готовы к массовому производству, а новые фреоны для бинарных циклов необходимо разрабатывать практически с нуля. Общая стоимость проекта по развитию геотермальной энергетики в РФ составляет 15 млрд руб., из которых 3 млрд руб. госфинансирование и 12 млрд руб.— привлеченные частные инвестиции от промышленных партнеров.