На этой неделе в Париже состоятся Геотермальные дни, в ходе которых специалисты из 20 стран мира будут обсуждать новейшие тенденции в этой области. Есть все основания считать, что именно геотермальная энергетика может основательно изменить энергетический атлас планеты уже в самое ближайшее время. Ветер и Солнце слишком нестабильны как источник постоянной круглосуточной энергии. Хотя стабильный источник находится буквально под нашими ногами на глубине несколько километров. 

Сама по себе геотермальная энергетика отнюдь не является чем-то экспериментальным и новым. Есть Исландия, где 25% всего электричества вырабатывают геотермальные станции, тепло земных недр там отапливает дома и теплицы, в которых зреют местные бананы. Там идея гидротермальной энергетики прижилась только после энергетического кризиса 1970-х, хотя условия для развития этой отрасли там самые наиблагоприятнейшие: вся страна буквально утыкана гейзерами. Опыт Исландии по естественным причинам мало применим в других странах, но это не означает, что геотермальное решение там невозможно. 

От Венгрии до Камчатки

Еще в древности люди обнаружили, что в глубоких пещерах температура более-менее стабильная, а в очень глубоких она может быть заметно выше, чем снаружи. Развитие шахтного дела утвердило людей в этом наблюдении: чем глубже, тем Земля горячее. Уже к концу XIX века стали говорить о том, что существует определенная взаимозависимость повышения температуры с глубиной, получившая название геотермического градиента.

В среднем геотермический градиент равен 3 градусам на каждые 100 м погружения в глубь Земли. Но это все равно что «средняя температура по больнице» – на практике он очень вариативен и зависит от интервала глубины, горных пород, тектонических и гидрогеологических условий. Например, в Южной Африке зарегистрирован градиент 6 градусов на 1 км глубины, а в штате Орегон (США) – 150 градусов на 1 км глубины.

Вполне понятно, почему на платформах, сложенных мощной толщей осадочных пород, гидротермальные градиенты низкие, а в вулканических областях высокие. Но есть районы, природа разогрева которых не столь очевидна – как, например, в Венгрии, где нет проявлений вулканизма, но есть горячие источники и мощный тепловой поток из недр. Причина в том, что здесь земная кора тоньше, чем обычно. Тепловой поток тут в среднем составляет 90 мВт/м2, в то время как среднее значение на европейском континенте составляет 60 мВт/м2 и меньше. Такой тепловой поток обеспечивает геотермический градиент более 50 градусов на 1 км, что значительно выше среднего.

Термальное озеро Хевиз в Венгрии каждые сутки обновляет свои воды, поступающие из горячих подводных источников

Мы знаем, что на больших глубинах температура значительно превышает 1500°С, хотя до конца непонятна природа разогрева глубинных частей нашей планеты. Ясно одно: Земля горячая, и таковой она была уже миллиарды лет. И даже если бы она просто стала остывать, как кусок магмы, на это ушли бы миллионы лет. Таким образом, тепло и электричество, которое можно получить, используя это тепло, в нашем распоряжении на тысячи и тысячи лет. Вопрос в том, как его получить.

В поисках агента

На земле есть места, где можно сварить яйца прямо в источнике и в самую лютую зиму не страдать от холода, усевшись рядом с ним. А если поблизости из земли струится пар, как из носика кипящего чайника, то можно поставить турбинку и получить электричество. Так и поступил 4 июля 1904 года князь Пьетро Джинори Конти, и энергии хватило, чтобы подключить 4 электрические лампочки. В 1913 году была построена первая коммерческая геотермальная станция мощностью 250 кВт. В конце 20-х годов ХХ века итальянцы построили электростанции в Кастельнуово и Лардерелло мощностью от 600 до 3500 кВт. Все эти станции использовали и используют сухой перегретый пар, который собирается из неглубоких скважин в толще вулканического массива.

Следующий прорыв совершили новозеландцы, открыв в 1958 году станцию в Вайракей мощностью свыше 190 тысяч кВт. Эта станция уже использовала влажный пар и перегретую воду. Такие гидротермальные источники встречаются на планете гораздо чаще, чем природные источники сухого пара. Правда, у них есть свои изъяны: перегретая до 200°С вода (под большим давлением вода кипит при температурах выше привычных 100°С) несет в себе огромную массу солей и растворенных газов, которые нельзя напрямую пускать в турбину, так как ее лопатки коррозия разъест крайне быстро. Приходится применять промежуточный контур: геотермальная вода греет в теплообменнике чистую воду, которая, испаряясь, и вращает турбину, а соленая вода опять отправляется в недра Земли.

В это же время геотермальная энергетика заинтересовала и советских ученых. Огромный вклад внесли исследователи из Института технической теплофизики АН Украинской ССР, которые решали вопрос отбора тепла из крайне агрессивных камчатских геотермальных вод. Решение было совершенно оригинальным: поскольку агрессивность вод растет с температурой, было принято решение использовать воды относительно холодные – чуть выше 80°С. Вода при такой температуре не кипит, но зато кипят органические жидкости. Советские ученые выбрали хорошо себя зарекомендовавший в холодильной технике фреон-12, который кипит при температуре –29,8°С при нормальном давлении. Охлажденная же до 45°С вода далее нагревала систему отопления теплиц и жилых зданий.


Машинный зал Мутновской ГеоЭС-1 мощностью 50 тысяч кВт. Камчатка

В результате Паужетская станция на Камчатке мощностью 11 тысяч кВт в 1967 году открыла целое направление работы с низкотемпературными геотермами, гораздо боле распространенными, чем высокотемпературные. Однако все перечисленные выше станции привязаны к водным гидротермальным источникам. В таких странах, как Исландия, Новая Зеландия, Индонезия, на Западном побережье США или Дальнем Востоке России это вполне оправдано. В 2013 году, например, в Новой Зеландии была введена в строй крупнейшая в мире ГеоЭС Нгатамарики мощностью 100 тысяч кВт, которая использует разогретую до 193 градусов водопаровую смесь

Рукотворные гейзеры

Запасы энергии могут быть связаны и не с водой. Новозеландская станция, как и многие другие современные ГеоЭС, использует так называемый замкнутый контур, который впервые был предложен еще на стадии разработки Паужетской электростанции украинскими исследователями А.Н. Щербанем и О.А. Кремневым: горячую воду земных глубин после использования закачивают поблизости (на расстоянии примерно 300 м) на ту же глубину, таким образом создав круговорот горячей воды, исключающий оскудение природного источника и загрязнение поверхности соляными растворами.

Но отсюда можно было сделать уже следующий шаг: пробурить скважины в монолитной раскаленной породе и просто прогонять через нее воду, по сути используя толщу Земли как активную зону ядерного реактора. Такие циркуляционные системы активно разрабатываются и строятся в Австралии, США, Британии, Франции, Германии и других странах.


Схема работы петротермической централи проста: закачал холодную воду и получил на выходе горячую или пар

Основная проблема при создании таких циркуляционных систем в том, что требуется бурить глубокие скважины в породах, где не произойдет утечки закачиваемой жидкости. С другой стороны, чем глубже, тем выше температура носителя и тем выше эффективность станции. Например, при температуре носителя  хотя бы 80 градусов уже можно использовать его для нужд центрального отопления и водоснабжения. А этого можно достичь на глубине 1,5–2 км. При этом российские ученые рассчитывают возможности станций с глубиной скважин до 10 км, тем более что российская промышленность уже в состоянии производить оборудование для подобных работ.

Украинский опыт

С одной стороны, звучит очень оптимистически: в толще земной коры на глубине 3–5 км сосредоточена энергия тепла Земли, способная обеспечить все нужды человечества в энергии на многие тысячи лет вперед, и только 1% общей теплоемкости верхней 10-километровой толщи земной коры эквивалентен 137 трлн тонн условного топлива. Сейчас земляне потребляют всего около 11 млрд т.у.т., так что этот источник практически неисчерпаем.

Уже при современном развитии техники можно построить ГеоТЭС суммарной мощностью до 200–250 млн кВт при глубине бурения скважин до 7 км и сроках работы станции порядка 50 лет. Планов теплоснабжения и электрогенерации во всем мире масса, в том числе и в России. Тем более что как раз в России наилучшие условия для геотермической генерации как раз в удаленных районах страны – на Чукотке, Камчатке, Приморье, Прибайкалье, Алтае. Богатейшее место, уже эксплуатируемое для отопления, – это Северный Кавказ.

И тем не менее есть печальнейший пример того, как прекрасные планы могут уйти в песок. В 1995 году на Украине говорили о необходимости развития национальной программы геоэнергетики. Украина богата георесурсами – например, в окрестностях Полтавы были обнаружены геотермальные воды с температурой более 200°С. Такие источники были найдены и на Карпатах, и в Крыму. План предполагал, что до 2007 года примерно на половине территории Украины должно было быть построено 1500 геотермальных тепло- и теплоэлектростанций, которые должны были бы на 12% сократить потребление органического топлива как минимум.

Украинские геоэнергетики имели все – и производственные мощности, и научный потенциал. Однако их расчеты были крайне оптимистичными: они предполагали, что станции будут окупаться очень быстро – за два-три года. И это был роковой просчет. Например, новейшая станция в Новой Зеландии обошлась в 500 млн. Ее мощность 100 тысяч кВт. Самая грубая прикидка для европейских условий пусть будет исходить из потребительской цены 12 евроцентов за киловатт-час. Итого за час работы такая станция выдаст энергии на 10 с лишним тысяч евро. То есть в самых идеальных условиях станция себя окупит за 5–6 лет. На практике, скорее всего, на это уйдет 10–15 лет. В условиях заниженных цен еще больше. В итоге украинские власти не стали развивать эту программу, предпочитая приобретать газ и сжигать уголь.

Российские планы в этом отношении выглядят значительно скромнее, вполне возможно, именно из-за учета важнейшего фактора: геотермальная энергетика быстрее развивается в тех странах, где существует государственная поддержка экологических проектов и проектов, направленных на энергетическую независимость, и где существуют стабильные, долгосрочные проекты устойчивого развития, стимулирующие частный бизнес к долговременным инвестициям.