Чего можно ожидать от геотермальной энергии?

Прежде чем говорить читателю о возможностях использования геотермальной энергии, надо напомнить, что такое геотермальная энергия. Понятие «твердая» Земля условно. По современным представлениям, глубинные слои Земли сильно разогреты. «Твердую» Землю разделяют на три сферы: земную кору, имеющую под океанами (под гидросферой) толщину всего лишь до 7 км, а под атмосферой до 130 км; мантию, как ее называют, оболочку «твердой» Земли, простирающуюся до глубины около 2900 км, верхняя поверхность которой называется по имени югославского геофизика и сейсмолога Андрея Мохоровичича поверхностью Мохоровичича; ядро - центральная сфера Земли, обычно разделяемое на внешнее ядро, в котором вещество, по-видимому, находится в жидком состоянии (именно поэтому название «твердая» Земля является условным), и субъядро - наиболее глубокая сфера Земли. Средний радиус Земли - 6371 км, экваториальный - 6378, полярный - 6357 км. По современным космогоническим представлениям Земля образовалась из рассеянного, газово-пылевого вещества около 4,7 млрд. лет назад. На рис. 19 показано строение «твердой» Земли.

Рис. 19. 'Твердая' сфера Земли

За последнее время многое изменилось в представлениях об образовании и свойствах Земли. Раньше думали, что Земля образовалась в виде сильно разогретого шара, а затем постепенно остывала (и остывает). Теперь считают, что, образовавшись из роя метеоритных тел, Земля имела температуру порядка 700 - 2000° С. В дальнейшем Земля не только не охлаждалась, но, наоборот, нагревалась за счет распада радиоактивных элементов и химических реакций. Образовался поток тепла из недр «твердой» Земли к ее поверхности. Предполагается, что глубинные слои Земли продолжают медленно нагреваться, на несколько градусов за 10 млн. лет, в то время как близкие к поверхности слои Земли еще более медленно охлаждаются.

Как уже сказано, с увеличением глубины земных слоев температура повышается. На глубине 50 км она составляет около 700 - 800° С, на глубине 500 км - около 1500 - 2000° С, на глубине 1000 км -примерно 1700 - 2500° С, на глубине 2900 км (граница между мантией и ядром) - порядка 2000 - 4700°С, в центре Земли, т. е. на глубине 6371 км, - 2200 - 2500° С.

Повышение температуры с ростом глубины объясняется, как уже сказано, главным образом продолжающимся выделением тепла в результате распада содержащихся в Земле радиоактивных элементов. По этой же причине существует поток тепла, направленный от земного ядра к периферии «твердой» Земли. Тепло, накопленное в ядре и мантии Земли, огромно. Именно поэтому геотермальную энергию относят обычно к числу восполняемых источников тепла. Однако мощность теплового потока от центра Земли к ее периферии приблизительно в 4000 раз меньше мощности солнечной радиации, поступающей на Землю, но почти в 30 раз больше мощности электростанций всех стран мира. Тепло, поступающее из недр Земли на ее поверхность, очень рассеяно (в среднем 0,05 Вт на 1м²) и на климат никак не влияет. В то же время тепло, накопленное в ядре мантии Земли, огромно, и вполне понятно желание его использовать. Каковы же все-таки ресурсы геотермальной энергии? Как можно их оценить? Обычно, определяя запас геотермальной энергии, берут в расчет то количество тепла, которое может быть получено при охлаждении до температуры поверхности Земли на глубине не более 5-10 км. Конечно, вычисленный таким образом запас геотермальной энергии - величина чисто условная, во много раз меньшая, чем действительное количество тепла, которое содержит земной шар.

Если ограничить предельную глубину всего лишь 5 км, то условный запас геотермальной энергии составит около 4х10¹⁸ кДм, или 1,4х10¹⁴ тут. Вычисленный нами условный запас геотермальной энергии имеет тот же порядок величины, что и ресурс всех видов органического топлива на Земле, вместе взятых. Не будем забывать при этом, что определенный нами ресурс геотермальной энергии к тому же является практически возобновляемым.

Следует напомнить читателю, что, говоря о запасах тепла, необходимо учитывать не только количественный фактор (кДж, кВтхч или тонны условного топлива - тут), но и «качественный» фактор - температуру. Известно, чем выше температура, тем больше энергетическая ценность тепла. При температуре среды энергетическая ценность тепла равна нулю. К сожалению, геотермальная теплота достается человеку обычно с относительно низкой температурой.

Как же в настоящее время используется геотермальная энергия?

Существуют два качественно различных источника геотермальной энергии: гидротермальные (паротермальные) источники тепла, представляющие собой не что иное, как подземные запасы горячей воды и пара, с температурой в большинстве случаев порядка 100° С (иногда 300-350°С), и так называемые петротермальные. Так как горячая вода и пар сравнительно редко выходят на поверхность самопроизвольно (это происходит обычно в геотермических районах (Геотермические работы характерны присутствием горячих минеральных растворов на глубине до 10 км.), например на Камчатке, в Японии, Новой Зеландии, Исландии) в виде гейзеров (Источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара на высоту до 20 - 40 м и боле.) и горячих источников, то для использования их тепла приходится бурить скважины.

Петротермальные источники тепла - это нагретые обычно твердые и сухие породы. Геотермальное тепло Земли почти исключительно сконцентрировано в петро-термальных источниках.

До настоящего времени практически все попытки использовать геотермальное тепло Земли ограничиваются гидро- и паротермальными источниками. Более того, подавляющее число работ направлено на использование этих источников с целью тепло- и горячего водоснабжения.

В настоящее время относительно широкое развитие получило, как это следует из сказанного выше, использование геотермального тепла для отопления и горячего водоснабжения. Если в данной местности есть гейзеры и горячие источники, что бывает сравнительно редко, то горячая вода либо прямо подается в отопительную систему, либо (в случае большой ее минерализации) направляется в теплообменники, и тогда к потребителю поступает обычная маломинерализованная вода. Но практически всегда из экономических соображений «обратную» (более холодную) воду приходится закачивать назад в скважины, что намного удорожает эксплуатацию геотермальных месторождений.

Если же гейзеры и горячие источники отсутствуют, а горячая (геотермальная) вода имеется не очень глубоко под уровнем земли (порядка до 2 км), то для ее использования, как уже говорилось, приходится бурить скважины, что еще более удорожает эксплуатацию.

Что касается получения на основе геотермальной энергии электрической энергии, т. е. сооружения геотермальной электростанции, то в первую очередь это зависит от температуры получения воды или пара. Принято считать, что пределом, ниже которого геотермальную электростанцию создавать нецелесообразно, является температура пара или воды, близкая к 130° С. Возможно, в дальнейшем этот температурный предел будет снижен.

В Советском Союзе в 1967 г. на Камчатке была создана Паужетская геотермальная электростанция мощностью 2,5 МВт.

Несмотря на перечисленные выше физические, технические и экономические преграды на пути широкого народнохозяйственного использования геотермальной энергии, ее тем не менее следует, по-видимому, рассматривать как перспективный восполняемый источник тепла.

Осталось сказать немного о петротермальных источниках тепла, представляющих собой, как уже говорилось, тепло сухих горных пород. Большая часть тепла, содержащегося в недрах Земли, по-видимому, именно петротермальное тепло.

До настоящего времени еще ничего не предпринято для его использования. Это объясняется большой сложностью задачи. Приведем здесь одно из предложений - простое по замыслу, но трудное (как и другие предложения) по исполнению.

С поверхности Земли вглубь бурятся две скважины, достаточно глубокие (несколько километров), чтобы достигнуть горячих твердых пород, и достаточно удаленные друг от друга, Эта часть задачи относительно несложная и, безусловно, выполнимая: имеется большой опыт бурения такого рода скважин для добычи нефти и газа. В нижней части труб, опускаемых в скважины, сверлятся отверстия. Идея заключается в том, чтобы в одну из труб закачивать холодную воду в расчете на то, что вода пробьет себе путь через твердые горячие породы, нагреется и будет поступать во вторую трубу, из которой ее можно откачивать и использовать по назначению.

К сожалению, даже не прибегая к опыту, чисто умозрительно, можно представить себе, что скорее всего получится на самом деле. Вполне возможно, что холодная вода, нагнетаемая в первую скважину, пробьет себе путь во вторую, нагревшись по дороге. Но каким образом вода из первой трубы будет поступать во вторую? Скорее всего она будет течь по одному все время размываемому каналу. Но такой способ перетекания воды из первой трубы во вторую совершенно не приемлем: стенки канала, пробитого водой, будут все время охлаждаться, так как теплопроводность пород Земли в большинстве случаев очень низкая, и вскоре вода будет поступать во вторую трубу с температурой, малоотличающейся от той, с которой она закачивается в первую трубу.

Как помочь делу? Хорошо было бы, чтобы вода перетекала (профильтровывалась) через большое число очень маленьких ручейков. Но как достигнуть этого? Может быть, помог бы подземный ядерный взрыв, делающий породу более рыхлой?

Как видим, имеются важные, еще нерешенные вопросы. Но дело никак нельзя считать безнадежным.