Геотермальная энергия

Геотермальная энергия

 

В наше время всё острее стоит вопрос о замене традиционных способов получения энергии чем-то иным.

Ни для кого уже не секрет, что мировые запасы нефти, газа, угля очень скоро иссякнут, их хватит всего на несколько десятков лет. Поэтому одно из самых перспективных направлений научных исследований – изучение альтернативных источников энергии.

При этом большое внимание уделяется солнечной и ветряной энергии, устройства для её получения постоянно совершенствуются, о них говорят, их внедряют в производство и используют для частных нужд.

Но в то же время совершенно незаслуженно забывают о геотермальной энергии, считая это направление малоперспективным.

Этот вид альтернативных источников энергии основан на эксплуатации тепла Земли. Несколько пренебрежительное отношение к этому виду альтернативной энергии достаточно распространено, но на самом деле эта точка зрения совсем не так бесспорна и подтверждением тому внимание людей к потенциалу недр Земли в течение многих веков.

Изучению данного вопроса и посвящён наш сайт. Мы рассмотрим преимущества и недостатки геотермальных источников энергии, поговорим о истории вопроса и совершенствовании системы, попытаемся понять, что из общеизвестных фактов является правдой, а что – только мифом.

Геотермальные ресурсы являются важнейшим источником развития энергетики, редкометальной и химической промышленности, санаторно-бальнеологического и агропромышленного комплексов. Россия обладает огромными запасами гидрогеотермальных, т.е. аккумулированных в подземных водах, и петротермальных, аккумулированных в горных породах, ресурсов. В то же время в России они используются далеко недостаточно. Быстрый рост энергопотребления, ограниченность и удорожание ресурсов невозобновляемого топлива, обострение экологических проблем заставляют мировую экономику широко использовать альтернативные источники энергии.

Ключевые слова: геотермальные ресурсы, геотермальная энергетика, гидроминеральное сырье, комплексное использование, устойчивое развитие. 

Эффективное использование энергии является важным показателем научно-технического и экономического уровня развития страны. Сопоставление показателей энергоэффективности экономики России с другими странами показывает, что удельная энергоемкость нашего внутреннего валового продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в высокоразвитых странах. Так, уровень энергопотребления в расчете на единицу сопоставимого ВВП в России в 4 раза выше, чем в США, в 3,6 раза выше, чем в Японии, в 2,5 раза выше, чем в Германии. Резервы экономии энергоресурсов в России могут составить 40 - 50 % от уровня потребляемых топлива и энергии. Проблема эффективного использования энергоресурсов во многом может быть решена за счет использования альтернативных источников энергии.

История

Использование внутреннего тепла Земли насчитывает много столетий. Сначала оно применялось в бытовых и лечебных целях в местах наиболее активного проявления глубинной геотермальной активности, а затем уже в XX веке использование геотермальной энергии приобрело широкие промышленные масштабы (Svalova, 1998; 1999; 2000). Во многих развитых странах геотермальные ресурсы стали основой для развития высокотехнологичных отраслей индустрии.

В июле 2004 года геотермальная общественность широко отметила столетие геотермальной энергетики. 4 июля 1904 года в Лардерелло, Италия, Пьеро Джинори Конти (Prince Piero Ginori Conti (1865 - 1939)) провел первый в мире эксперимент по производству электроэнергии из геотермального пара (Рис. 1). А через 9 лет, в 1913 г. в Италии в Лардерелло была пущена в промышленную эксплуатацию первая геотермальная электрическая станция мощностью 250 кВт, действующая до сих пор (Рис.2).

 

Рис.1. Устройство, использованное в Лардерелло в 1904 г. в первом в мире эксперименте по производству электроэнергии из геотермального пара, и его изобретатель Пьеро Джинори Конти.

В 2004 году отмечалось также 50-летие Российской геотермальной энергетики. 15 марта 1954 г. Президиум Академии Наук СССР принял решение создать Лабораторию по исследованию геотермальных ресурсов в Петропавловске-Камчатском. А уже в 1966 г. на Камчатке была построена и пущена в эксплуатацию первая геотермальная электрическая станция на реке Паужетка мощностью 5 МВт с традиционным циклом. К 1980 г. мощность Паужетской ГеоЭС была доведена до 11 МВт. Станция и сейчас успешно работает. В 1967 г. заработала Паратунская ГеоЭС с бинарным циклом, построенная на основе разработанной и запатентованной С. Кутателадзе и Л. Розенфельдом уникальной технологии бинарного цикла для получения электроэнергии. Патент у СССР был тогда куплен многими странами. Особенно преуспели в развитии этой технологии в Израиле, куда позже эмигрировала группа советских специалистов и основала компанию «Ормат».

Низкие цены на углеводородное сырье в 70-е годы и кризис 90-х надолго затормозили развитие геотермальной энергетики в России. Высокие цены на нефть и газ требуют незамедлительного развития альтернативной энергетики. Во-первых, невозобновляемые ресурсы быстро истощаются, особенно при нынешнем состоянии экспорта нефти и газа. Во-вторых, на внутреннем рынке цены на топливо неизбежно приближаются к мировым. Экономить энергию придется всеми возможными способами. Отягчающим обстоятельством для развития геотермальной энергетики явится также углеводородная ориентированность Российской экономики. Новые месторождения нефти и газа долго не разведывались и не осваивались, а вновь открытые в Арктике и на шельфе Дальнего Востока экономически малорентабельны. Их освоение потребует огромных затрат, а экономическая целесообразность эксплуатации сохранится только при высоком уровне цен на углеводороды. Даже небольшое снижение мировых цен на нефть и газ потребует от России огромного напряжения для выполнения взятых на себя международных обязательств по уровню продаж.

Предвидя экономические риски, правительство может еще больше сосредоточиться на углеводородном сырье. Разведка, бурение, освоение потребуют новых капиталовложений в нефтегазовый сектор, а геотермальная энергетика может опять оказаться в стороне. Этого нельзя допустить

.

Рис.2. Геотермальная электростанция в Лардерелло, Италия

 

Создание стабильной экономики и устойчивого развития требует организации многовекторной энергетики, способной обеспечить потребности промышленности и общества на разных уровнях: глобальном, региональном, локальном. Необходимо использовать имеющийся зарубежный опыт, когда страны с развитой экономикой и недостатком сырьевых ресурсов были вынуждены развивать инновационные технологии для освоения альтернативной энергии.

Геотермальные станции на Камчатке и Курилах

Наиболее ярких успехов в развитии геотермальной энергетики Россия достигла на Камчатке. Это неудивительно, т.к. это фантастический край с уникальными природными ресурсами и необыкновенной красоты проявлениями геотермальной активности в виде вулканов, гейзеров, горячих источников. Еще со времен Степана Крашенинникова (1711 - 1755), участника Второй Камчатской экспедиции (1733 - 1743), и его «Описания земли Камчатки» (1756) к этому притягательному месту приковано внимание как научной геологической общественности, так и любителей необычных природных явлений и путешествий.

Камчатская область обладает богатейшими геотермальными ресурсами, позволяющими полностью обеспечить энергетические потребности края на сто лет вперед. Наиболее перспективным является Мутновское геотермальное месторождение, разведанные запасы которого оцениваются в 300 МВт. Новейшая история освоения Мутновского месторождения пережила несколько этапов: от геологической разведки, оценки запасов, проектирования и строительства первых геотермальных станций Паужетской и Паратунской до строительства Верхне-Мутновской и Мутновской ГеоЭС мощностью 12 и 50 МВт, соответственно.

Для осуществления строительства была создана проектная компания ЗАО «Геотерм», зарегистрированная 30 августа 1994 г. в Петропавловске-Камчатском. Также в строительстве принимали участие АО «Камчатскэнерго», КУГИ (Комитет по управлению городским имуществом) Камчатской области, АО «Наука». Проект осуществлялся за счет кредита Европейского Банка Реконструкции и Развития (99,9 млн. US$), а также средств Российских инвесторов, включая РАО «ЕЭС России». В 1999 году была пущена в эксплуатацию пилотная Верхне-Мутновская ГеоЭС. 21 декабря 2001 г. был пущен первый энергоблок Мутновской ГеоЭС мощностью 25 МВт. 17.09.2002 г. первый энергоблок был включен в сеть, а 27.09.2002 был введен в эксплуатацию второй энергоблок, что позволило довести общую мощность Мутновской ГеоЭС до 50 МВт (Рис. 3, 4).

Таким образом, общая мощность энергообъектов на Камчатке, включая Паужетскую ГеоЭС, оценивается в 73 МВт. Это составляет 25 % потребности региона в электроэнергии, что позволяет даже в случае прекращения поставок мазута на полуостров решить стратегическую задачу обеспечения электроэнергией жилого сектора и жизненно важных объектов.

На Курилах работают две ГеоЭС - мощностью 2,6 МВт (на о. Кунашир) и 6 МВт (на о. Итуруп). Таким образом, общая мощность ГеоЭС России составляет 81,6 МВт.

Интересно сравнить производство электроэнергии из геотермальных источников по странам (Табл.1.) (данные International Geothermal Association -IGA (Huttrer, 2000)).

Табл.1. Производство энергии из геотермальных источников в мире.

Геотермальные исследования в России

Систематические и целенаправленные геотермические и геотермальные научные исследования на территории нашей страны начались в середине XX века. Для координации этих работ в 1964 г. Отделением наук о Земле АН СССР был создан Научный Совет по геотермическим исследованиям, преобразованный затем в Научный Совет РАН по проблемам геотермии. Первым председателем его был один из крупнейших математиков мира академик А.Н. Тихонов.

C 30-х до начала 60-х годов прошлого  столетия геотермальное теплоснабжение  в СССР развивалось в основном  по пути создания мелких объектов  отопления, горячего водоснабжения  и бальнеологии на базе термальных  вод, полученных из нефтегазовых  скважин. Важной вехой в развитии  геотермального производства в  СССР можно считать 1964 год, когда  была создана Северокавказская  разведочная экспедиция по бурению  и реконструкции нефтегазовых скважин для геотермального теплоснабжения. В 1966 г. в Махачкале было создано Кавказское промысловое управление по использованию глубинного тепла Земли, а в 1967 г. -аналогичное Камчатское промысловое управление в Петропавловске-Камчатском в системе Мингазпрома.

Геотермические и геотермальные исследования ведутся в России более чем в 60 научных учреждениях, принадлежащих к различным ведомствам.

Рис. 5. Геотермическое районирование России. a - районы пригодные для теплоснабжения зданий с помощью тепловых насосов; b - перспективные для «прямого» использования; c - районы современного вулканизма наиболее перспективные для «прямого» использования, выыработки тепла и электроэнергии на бинарных установках, а также создания крупных ГеоЭС на парогидротермальных месторождениях. 1 - Северный Кавказ (платформенная провинция), 2 - Северный Кавказ (альпийская провинция), 3 - Западная Сибирь, 4 - Прибайкалье, 5 - Курило-Камчатский регион, 6 - Приморье, 7 - 8 - Охотско-Чукотский вулканический пояс.

Геотермальные ресурсы России хорошо изучены (Вартанян и др., 1999; Кононов и др., 2005; Kononov et al., 2000) (Рис. 3). Еще в 1983 г. сотрудниками ВСЕГИНГЕО при участии региональных центров был составлен "Атлас ресурсов термальных вод СССР" с объяснительной запиской, содержащий 17 карт, в том числе "Карту термальных вод СССР", "Карту потенциальных запасов термальных вод СССР" (обе в масштабе 1:10 млн.), а также карты эксплуатационных запасов термальных вод основных водоносных комплексов по наиболее перспективным районам (Западная Сибирь, Предкавказье, Камчатка, Курилы) в масштабе 1:5 млн. и 1:1,5 млн.

В 1991 г. под редакцией Ю.Д. Дядькина была составлена в масштабе 1:10 млн карта петрогеотермальных ресурсов нашей страны на глубинах до 6 км. Практически везде имеются возможности для создания систем теплоснабжения с температурами 70 °С на входе и 20 °С на выходе, а примерно на 70% территории России - с температурным режимом 90/40 °С. Потенциал такой ресурсной базы в Российской Федерации составляет 1,77х1015 т у.т.

В 2000 г. вышел Геотермический атлас России (электронная версия), составленный сотрудниками Санкт-Петербургского горного института (технического университета) и ФГУП НПЦ «Недра» под редакцией А.А. Смыслова.

По данным ВСЕГИНГЕО и ВНИИКТЭП (Вартанян и др., 1999) на территории России разведано 47 месторождений природных теплоносителей с запасами термальных вод 242,4 тыс. м3/сутки и парогидротерм 103,2 тыс. т/сутки. При этом запасы утверждены лишь по 12 месторождениям термальных вод (135,4 тыс. м3/сутки) и по 5 месторождениям парогидротерм (34,5 тыс. т/сутки в пересчёте на пар). Это крайне мало, учитывая огромные потенциальные гидротермальные ресурсы России.

Гидротермальные ресурсы используют преимущественно для теплоснабжения и обогрева городов и населённых пунктов на Северном Кавказе и Камчатке с общим числом населения около 500 000. В некоторых районах страны глубинным теплом обогреваются теплицы общей площадью около 465 000 м2. Широко используются термоминеральные воды в бальнеологии и курортологии, но и здесь резервы еще очень велики. Наиболее перспективными регионами для практического использования геотермальных ресурсов на территории России являются Северный Кавказ, Западная Сибирь, Прибайкалье, Курило-Камчатский регион, Приморье, Охотско-Чукотский вулканический пояс. Практически повсеместно внутреннее тепло Земли может осваиваться с помощью тепловых насосов.

Использованием и усовершенствованием тепловых насосов для утилизации геотермальных ресурсов занимается целый ряд организаций. Пионерами их использования в России явились НПО «Недра» в Ярославле и Группа Компаний «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» в Москве. На тепловых насосах работают экспериментальная школа в деревне Филиппово Ярославской области, демонстрационный комплекс «Экопарк-Фили», энергоэффективный жилой дом в Москве на улице Академика Анохина. Использование тепловых насосов в России имеет очень большие перспективы.

Для сравнения приведем данные IGA по прямому использованию геотермальных ресурсов в мире.

В области использования геотермальной энергии Россия тесно сотрудничает с Международной Геотермальной Ассоциацией (International Geothermal Association - IGA).

IGA - научно-образовательная, культурная, просветительская, негосударственная, неполитическая, некоммерческая организация, координирующая деятельность по  использованию геотермальных ресурсов  в мире, созданная в 1989 г. IGA управляется  Советом Директоров в количестве 30 человек, избираемых на конкурсной  основе один раз в 3 года. Согласно  Уставу IGA, члены Совета Директоров  не могут избираться больше  двух сроков подряд. В разное  время членами Совета Директоров  от СССР и России избирались  Г.И. Буачидзе, В.И. Кононов, Ю.Д. Дядькин, В.Б. Свалова, К.О. Поваров. В качестве коллективного члена от России в IGA входила Российская Геотермальная Ассоциация, а затем Геотермальное Энергетическое Общество, созданное в 2003 г. под рук. О.А. Поварова.