Геотермальные ресурсы

Поверхность планеты принято делить на три геотермальных района: гипертермальный, полутермальный и нормальный. Гипертермальный район, с температурным градиентом более 80 o С/км, наиболее предпочтителен для строительства геотермальных электрических станций. Полутермальный район имеет температурный градиент от 40 до 80 o С/км. Качество геотермальной энергии обычно невысокое, и лучше её использовать непосредственно для теплоснабжения зданий и других сооружений. Нормальный термальный район с температурным градиентом менее 40 o С/км относится к малоперспективным при использовании тепла Земли. Такие районы занимают самую обширную территорию, тепловой поток составляет в среднем 0,06Вт/м 2 .

Все источники геотермальной энергии делят на петротермальные и гидротермальные. Петротермальные источники находятся в тех участках земной коры, где нет воды. На глубине свыше 3 км достаточно высокая температура. Загоняя в такой источник по одной скважине воду, из другой можно получить пар. На этом принципе основано использование «сухого» тепла Земли.

Гидротермальные источники в свою очередь делятся на водяные, пароводяные и паровые. Водяные источники залегают на различной глубине. Одно из основных условий их существования – наличие над водой непроницаемого слоя горных пород. Находясь под высоким давлением, вода может нагреваться до температуры выше 100 o С и выходить на поверхность земли в виде пароводяной смеси.

В пароводяных и паровых месторождениях водоносные слои находятся между двумя водонепроницаемыми прослойками. Нижняя передает тепло от ядра Земли, а верхняя не допускает ее выхода на поверхность земли. В таких местах вода превращается в пар, а при высоком давлении – в перегретую воду. Извлечение пара на поверхность земли возможно лишь при помощи бурения.

Геотермальные ресурсы исследованы во многих странах мира: в США, Италии, Исландии, Новой Зеландии, России, на Филиппинах и т.д. Выявленные запасы геотермальных вод в России могут обеспечить примерно 14 млн м 3 горячей воды в сутки, что эквивалентно 30 млн. т у.т. В то же время выведенные на земную поверхность запасы геотермальных вод используются на 5%. В нашей стране эксплуатируются месторождения геотермальных вод на Сахалине, Камчатке и Курильских островах, в Краснодарском и Ставропольском краях, Дагестане, Ингушетии. Курильско-Камчатская зона молодого вулканизма отличается максимальной близостью геотермальных систем к земной поверхности. Наиболее крупным и перспективным на Камчатке является Мутновское месторождение, расположенное в 130 км от г.Петропавловск-Камчатский. Буровые работы здесь ведутся с 1978 года. На сегодня пробурено около 90 скважин глубиной от 250 до 2500м. Суммарные запасы оценены в 245МВт.

В настоящее время принято выделять два основных класса геотермальных ресурсов - гидро- и петрогеотермальные. Первые представляют собой ту часть ресурсов геотермальной энергии, которая приурочена к естественным коллекторам и представлена природными теплоносителями: подземными водами, паром или пароводяными смесями; вторые - ту часть тепловой энергии недр, которая связана непосредственно со скелетом водовмещающих пород или с практически непроницаемыми горными породами. Освоение и практическое использование петрогеотермальных ресурсов массивов непроницаемых горных пород сопряжёно с необходимостью решения ряда сложных научно-технических проблем создания эффективных в гидродинамическом и теплофизическом отношениях подземных искусственных циркуляционных систем (тепловых котлов). Такие системы теоретически обоснованы и выполнены опытно-экспериментальные работы и исследования. Однако пока еще рано говорить о наличии промышленных технологий извлечения поистине колоссальных запасов тепла земных недр, приуроченных к непроницаемым массивам в различных геологических условиях.

Поэтому на современном этапе развития техники и технологии масштабы практического использования геотермальных ресурсов определяются в основном размерами запасов и ресурсов природные теплоносителей, т. е. величиной гидрогеотермальных ресурсов.

Под ресурсами обычно понимается количество полезного ископаемого как выявленное и доступное в настоящее время для промышленно-хозяйственного использования, так и то, которое по прогнозам может быть обнаружено и будет пригодно для рентабельной эксплуатации в обозримом будущем. Лучше изученное и относительно более достоверно установленное количество полезного ископаемого принято относить к запасам. Следует также подчеркнуть, что общепринятой классификации ресурсов и запасов геотермальной энергии в настоящее время не существует. Так, одна из распространенных классификаций в США дефинирует такие понятия как геотермальная ресурсная база и геотермальные ресурсы. Первое из них (по Л.Дж. П. Маффлеру, Д.Е. Уайту и Д.Л. Уильямсу) - это, по сути, теплосодержание земной коры до глубины 10 км, определенное для нижнего температурного предела, равного 15 °С.В этом понятии не находят отражения вопросы техники, технологии и экономики добычи. Геотермальные ресурсы, по мнению перечисленных выше авторов, представляют собой часть геотермальной ресурсной базы технически доступной для добычи, но не зависящей от требующихся для этого затрат. Для расчета ресурсов принимают обычно глубины от 3 до 10 км.

Геолого-экономические критерии начинают учитываться при более дробной классификации геотермальных ресурсов. Так, по мнению М. Натенсона и Л.Дж.П. Маффлера, выделяются следующие виды ресурсов:

• - субграничные - ресурсы, стоимость эксплуатации которых вдвое и более превышает стоимость эксплуатации конкурирующих видов энерго ресурсов;
• - приграничные - ресурсы, стоимость эксплуатации которых превышает указанный выше показатель не более чем вдвое;
• - запасы - установленные ресурсы, которые могут эксплуатироваться при современных экономических условиях, будучи конкурентоспособными по сравнению с традиционными видами энергоресурсов.

По определению, принятому па X Мировой энергетической конференции (Стамбул, 1977 г.) запасы - это часть геотермальных ресурсов, которые могут быть с экономической выгодой и с соблюдением правовых норм добыты в настоящее время или в недалеком будущем.

Имеющийся опыт теплотехнического и энергетического использования термальных вод позволяет классифицировать их запасы по показателям качества следующим образом.

За нижний предел температуры термальных вод целесообразно принять 20 °С с учетом возможного применения тепловых насосов и наличия во многих отраслях народного хозяйства потребности в субтермальных (низко-, слаботермальных, теплых - по классификациям различных авторов) теплоносителях с температурами 20-40° С.

Воды низкопотенциальные (с температурой 20-100° С), в составе которых целесообразно выделение подкласса вод с температурами 20-40° С. Эти воды могут потребляться для теплотехнических нужд в основном с применением тепловых насосов. Кроме того, их можно эффективно использовать для оттаивания мерзлых пород и промывки россыпей, интенсификации рыбоводства, обогрева открытого грунта, закачки в нефтеносные пласты, технологических процессов, требующих низкопотенциальных теплоносителей. Основное назначение низкопотенциальных вод - теплоснабжение промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов.

Эффективность теплотехнического использования этих вод может быть существенно повышена при оборудовании объектов-теплопотребителей специальными системами отопления и вентиляции, оптимизированными для условий низко- и среднепотенциальных теплоносителей, включая комбинирование этих систем с тепловыми насосами.

Среднепотенциальные (100-150° С) воды могут эффективно использоваться как для теплоснабжения промышленных, сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектов, так и для выработки электроэнергии с применением промежуточных рабочих тел.

Высокопотенциальные (более 150 °С) воды могут эффективно применяться для выработки электроэнергии по прямому циклу. Это наиболее ценная часть геотермальных ресурсов, при этом ее нижняя температурная граница многими авторами определяется в 130 °С. С учетом возможных сфер практического использования высокопотенциальных вод, сложности бурения поисковых и разведочных скважин, специфики протекания тепло- и массообменных процессов в водонасыщенных породах, стволах скважин, фазового состояния добываемого теплоносителя в составе таких вод целесообразно выделять перегретые воды (150-250 °С), высокоперегретые (250-350 °С) и предельно перегретые (более 350 °С).

Из-за сложности практического использования природных теплоносителей (коррозия промыслового и технологического оборудования, возможные солеотложения, безопасный для окружающей среды сброс отработанных вод и др.) при оценке их запасов и картировании целесообразно выделить следующие классы термальных вод по минерализации (в г/л): менее 1; 1-3(5), 3(5)-10, 10-25, 25-50, 50-100, 100-200, более 200.

Качество термальных вод, предназначенных для лечебного использования (по температуре, минерализации, ионному и газовому составу, газонасыщенности, содержанию в водах фармакологически активных микроэлементов, радиоактивности, рН) должно оцениваться в соответствии со специальными требованиями к изучению и классификациями минеральных лечебных вод.

Оценка возможности извлечения из термальных вод полезных компонентов или их соединений сопряжена не только с их легальным геохимическим изучением по специальным программам, но и с проведением комплекса технологических исследований.

С литосферой связаны ресурсы не только традиционных видов минерального топлива, но и такого альтернативного вида энергии, как тепло земных недр.

Источники геотермальной энергии могут быть двух типов. Первый тип – это подземные бассейны естественных теплоносителей – горячей воды (гидротермальные источники), пара (паротермальные источники) или пароводяной смеси. По существу, это непосредственно готовые к использованию подземные «котлы», откуда воду или пар можно добыть при помощи обычных буровых скважин. Второй тип – это тепло горячих горных пород. Закачивая в такие горизонты воду, можно также получить пар или перегретую воду для дальнейшего использования в энергетических целях.

В зависимости от температуры воды, пара или пароводяной смеси геотермальные источники подразделяют на низко– и среднетемпературные (с температурой до 130–150 °C) и высокотемпературные (свыше 150 °C). От температуры источника во многом зависит характер его использования.

Можно утверждать, что геотермальная энергия отличается четырьмя выгодными чертами.

Во-первых, ее ресурсы практически неисчерпаемы. К такому выводу можно прийти, несмотря на очень большие расхождения в имеющихся оценках. Так, по данным немецких специалистов, эти ресурсы достигают 140 трлн тут, а на сессии Мировой энергетической конференции в 1989 г. они были определены «всего» в 880 млрд тут. Даже если иметь в виду, что пригодные для хозяйственного использования ресурсы не превышают 1 % от общих, они составляют немалую величину. Большая часть этих ресурсов относится к низкотемпературным источникам.

Во-вторых, использование геотермальной энергии не требует значительных издержек, так как в этом случае речь идет об уже «готовых к употреблению», созданных самой природой источниках энергии.

В-третьих, геотермальная энергия в экологическом отношении совершенно безвредна и не загрязняет окружающую среду.

В-четвертых, локализация геотермальных ресурсов определяет возможность использовать их для производства тепла и электроэнергии в отдаленных, необжитых районах.

Рис. 12. Геотермальные пояса Земли

Ресурсы геотермальной энергии довольно широко распространены в земной коре. Концентрация их связана в основном с поясами активной сейсмической и вулканической деятельности, которые занимают 1/10 площади Земли (рис. 12). В пределах этих поясов можно выделить отдельные наиболее перспективные «геотермальные» районы. Их примерами могут служить Калифорния в США, Новая Зеландия, Япония, страны Центральной Америки.

В России основные запасы геотермальной энергии связаны с областями кайнозойской складчатости, а также четвертичного и современного вулканизма. К таким районам относятся, прежде всего, полуостров Камчатка, остров Сахалин, Курильские острова, Ставропольский край, Дагестан.

16. Мировой земельный фонд

Английскому экономисту XVII в. Уильяму Петти принадлежат слова «Труд есть отец богатства, а земля – его мать». Действительно, земля – универсальныйприродный ресурс, без которого практически не может существовать ни одна отрасль хозяйственной деятельности человека – ни промышленность, ни транспорт, ни тем более земледелие и животноводство. По сравнению с другими видами природных ресурсов земельные ресурсы обладают некоторыми особенностями. Во-первых, их практически нельзя перемещать с места на место. Во-вторых, они исчерпаемы и к тому же обычно ограничены пределами определенной территории (район, страна и т. д.). В-третьих, несмотря на широкий многоцелевой характер использования, в каждый определенный момент времени тот или иной участок земли может быть занят либо под застройку, либо под пашню, пастбище, рекреацию и т. д.

Особую ценность для людей представляет самый верхний слой земли – почва, которая обладает плодородием, способностью производить биомассу; к тому же это плодородие может быть не только естественным, но и искусственным, т. е. поддерживаемым людьми. Вот почему роль почвенного покрова планеты (педосферы) так высоко оценивали корифеи отечественной науки В. В. Докучаев, В. И. Вернадский и другие ученые, сформировавшие учение о почвах.

Таблица 19

РАЗМЕРЫ И СТРУКТУРА МИРОВОГО ЗЕМЕЛЬНОГО ФОНДА

Первое и самое общее представление о земельных ресурсах дает понятие о земельном фонде. Под земельным фондом понимают совокупность всех земель в пределах той или иной территории (от небольшой по площади местности до всей земной суши), подразделяемую по типу хозяйственного использования. При более широком подходе весь земельный фонд планеты обычно оценивают в 149 млн км 2 , или 14,9 млрд га, что соответствует всей площади суши. Но в большинстве источников его оценивают в 130–135 млн км 2 , или 13–13,5 млрд га, вычитая из первого показателя площадь Антарктиды и Гренландии. Наиболее достоверные оценки такого рода принадлежат специализированному органу ООН – ФАО, по данным которого составлена таблица 19.

Анализ таблицы 19 дает возможность познакомиться не только с размерами, но и со структурой мирового земельного фонда. При этом можно сделать некоторые важные выводы.

Во-первых, вывод о том, что земли сельскохозяйственного назначения занимают всего 37 % мирового земельного фонда. В том числе на наиболее ценные земли под пашней и многолетними культурами, которые обеспечивают поставку 88 % необходимых людям продуктов питания, приходится лишь 11°%. Конечно, немалую роль играют и пастбища (к ним относят естественные и улучшенные пастбища и луга, посевы, используемые для выпаса). Однако при площади, почти в два с половиной раза превышающей площадь пашни, они дают только 10 % всей мировой сельскохозяйственной продукции.

Во-вторых, вывод о том, что лесные земли занимают почти 32 % всей площади мирового земельного фонда. Конечно, значение этих земель – прежде всего климатообразующее, водоохранное, лесохозяйственное – очень велико. Однако в снабжении населения продуктами питания (в результате охоты, рыболовства, выпаса скота, звероводства, сбора грибов, ягод и т. д.) роль их можно оценить как сугубо вспомогательную.

В-третьих, вывод о том, что прочие земли в структуре земельного фонда занимают почти такую же долю, как и лесные. Термин «прочие земли», применяемый ФАО, нуждается в некоторых разъяснениях, так как в данную категорию включаются земли самой различной продуктивности и столь же различного хозяйственного использования. В нее входят земли под жилой (городской и сельской) застройкой, под промышленными и инфраструктурными (дороги, каналы, аэропорты) сооружениями, горными выработками (карьеры, шахты, отвалы вскрышных пород) и др. В литературе встречаются различные оценки территорий, занятых такими техногенными образованиями, но преобладает цифра в 2,5–3 %. Она уже сама по себе свидетельствует о том, что подавляющая часть так называемых прочих земель приходится на какую-то другую категорию. В основном это малопродуктивные и непродуктивные земли– безлюдные пустыни, высокогорья, скальные обнажения, площади под ледниками и водными объектами и др.

Рис. 13. Структура мирового земельного фонда по крупным регионам (доля в %)

Для географических исследований большой интерес представляет изучение структуры земельного фонда не только всего мира, но и отдельных его крупных регионов. Показанная на рисунке 13 она дает богатый материал для сравнения. Вполне закономерно, например, что доля земель, занятых под жилую, промышленную, транспортную застройку, да и обрабатываемых земель наиболее велика в зарубежной Европе – одном из главных регионов мировой цивилизации. Также вполне естественно, что доля пастбищ особенно велика в структуре земельного фонда в Австралии, доля лесов– в Южной Америке, а доля малопродуктивных и непродуктивных земель – в Азии.

Разумеется, еще большие различия можно обнаружить при сравнении размеров и структуры земельного фонда отдельных стран. Наибольший интерес в этом отношении представляют пахотные земли. Страны, располагающие наибольшей площадью пахотных земель, показаны в таблице 20. Она же дает наглядное представление о том, сколь существенно эти страны различаются по показателю доли пашни в общем земельном фонде.

К числу стран-«рекордсменов» по второму из этих показателей, кроме Украины и Индии, относятся также Бангладеш и Дания, где распаханность достигает 56–57 %.

Таблица 20

ПЕРВЫЕ ДЕСЯТЬ СТРАН ПО РАЗМЕРАМ ПЛОЩАДИ ПАШНИ

По площади пастбищ на мировом фоне особенно выделяются Австралия (414 млн га), Китай (400 млн), США (240 млн), Казахстан (187 млн), Бразилия (185 млн), Аргентина (142 млн га). Но в структуре земельного фонда доля пастбищ особенно велика в Казахстане (70 %), Австралии и Аргентине (50–55 %), а из стран, не попавших в первую десятку, – в Монголии (75 %).

По площади прочих земель внеконкурентное первое место в мире принадлежит России (700 млн га). За ней следуют Канада (355 млн га), Китай (307 млн), Алжир (195 млн), США (193 млн) и Ливия (159 млн га). Но по доле таких земель в земельном фонде впереди всех стоят расположенные в пределах Сахары Ливия (91 %) и Алжир (82 %).

С характеристикой структуры и размеров земельного фонда непосредственно связан еще один очень важный вопрос – об обеспеченности земельными ресурсами. Показатель такой обеспеченности рассчитывается в гектарах на душу населения.

Нетрудно подсчитать, что в 2007 г. при общей численности населения земного шара, превысившей 6,6 млрд человек, и мировом земельном фонде (округленно) в 13 млрд га, этот показатель составляет 2,0 га. Но при таком среднем показателе между отдельными крупными регионами, должны существовать различия. Статистика свидетельствует о том, что по душевой обеспеченности земельными ресурсами резко выделяется огромная по территории, но сравнительно малонаселенная Австралия (30 га на 1 человека). За ней следуют СНГ (8,0 га на 1 человека), Южная Америка (5,3), Северная Америка (4,5), Африка (1,25), зарубежная Европа (0,9) и зарубежная Азия (0,8 га на 1 человека). Из отдельных стран, помимо Австралии, наиболее высоким уровнем землеобеспеченности отличаются, например, Россия (11,4 га на 1 человека), Бразилия (5,2), Демократическая Республика Конго (4,8), США (3,4), Аргентина (3,1), Иран (2,3 га на 1 человека).

Однако при всей важности показателя удельной землеобеспеченности еще важнее показатель обеспеченности пахотными землями. Для всего мира он ныне составляет в среднем 0,20 га на 1 человека. Из отдельных регионов и по этому показателю выделяются Австралия и Океания (1,8 га на 1 человека), затем идут СНГ (0,8), Северная Америка (0,6), Южная Америка (0,35), зарубежная Европа (0,25), Африка (0,22) и зарубежная Азия (0,13 га на 1 человека). Что же касается отдельных стран, то различия между ними (на отдельных примерах) показывает таблица 21.

Таблица 21

ОБЕСПЕЧЕННОСТЬ ПАШНЕЙ В НЕКОТОРЫХ СТРАНАХ

Отдельно приведем некоторые данные о земельном фонде России. В целом он составляет 1709 млн га, из которых около 1100 млн га находятся в зоне вечной мерзлоты. В конце 1990-х гг. в структуре этого фонда на сельскохозяйственные угодья приходилось 13 % (в том числе на пашню– 7,5 %), на лесные– 61 %, на земли под жилой, промышленной и транспортной застройкой – 2,2 %.

На протяжении уже многих столетий, если не тысячелетий, человечество стремится увеличить площади обрабатываемых – прежде всего пахотных – земель, сводя для этого леса, распахивая луга и пастбища, орошая сухие степи и пустыни и т. д. Иными словами, ведется наступление на так называемые прочие земли. На этом пути есть немалые успехи. Так, только в 1900–1990 гг. общая площадь сельскохозяйственных земель в мире удвоилась. Однако численность населения растет быстрее, и это уже само по себе предопределяет тенденцию к сокращению удельной обеспеченности пахотными землями: если в 1950 г. мировой показатель ее составлял 0,48 га на 1 человека, в 1990 г. – 0,28, то в 2005 г. – около 0,20 га на 1 человека.

Но это только одна причина снижения обеспеченности из расчета на душу населения. Другая же заключается в растущей деградации земель, почвенного покрова.

Геотермальная энергия является одним из видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ). История использования геотермальной энергии для бальнеолечения начинается с древнего Рима, для выработки электрической энергии — с конца XIX века (город Лордеролло, Италия). По данным Всемирного геотермального конгресса, в мире к 2010 году эксплуатировались геотермальные электростанции общей установленной мощностью 10,7 ГВт, геотермальные системы теплоснабжения общей тепловой мощностью более 50,6 ГВт.

Данный вид ВИЭ практически неисчерпаем, доли процента тепла земных недр достаточно для обеспечения всех энергетических потребностей человечества на долгие времена. Источником геотермальной энергии является магматическое тепло Земли. Геотермальные месторождения локализованы с зонами геологической подвижки пластов земной коры и связанными с ними вулканическими процессами. На этих участках земной поверхности магматические потоки близко поднимаются к поверхности и нагревают вышерасположенные осадочные водонасыщенные породы.

Для возникновения геотермального месторождения необходимы три основных условия: подвод глубинного тепла, наличие водонасыщенных пород и водоупоров над ними. Атмосферные осадки в гористой местности, где горные породы оголены проникают в них и движутся в сторону их уклона с понижением на глубину, где нагреваются магматическим теплом. Геотермальный теплоноситель из скважины подается на геотермальную электростанцию (ГеоЭС) после чего заканчивается в другую скважину.

В международной практике различают геотермию поверхностную (до 400 м) и глубинную геотермию. В поверхностной геотермии используют теплоту грунтовых вод и горных пород с устройством скважинных зонтов и заглубленных ниже глубины промерзания трубчатых полей. В статье рассмотрены вопросы геотермии со скважинами глубиной от 1500 до 4000 м с добычей геотермального теплоносителя в жидком или паровом состоянии.

По классификации Международного энергетического агентства (МЭА) различают пять типов геотермальных месторождений: сухого пара, влажного пара, геотермальной воды, сухих горячих скальных пород, магмы. Ресурсы геотермальных месторождений России обеспечивают хорошие перспективы развития электро и теплоснабжения . По данным д.т.н. профессора П.П. Безруких их валовый потенциал составляет 22,9 трлн т.у.т., технический потенциал — 11,87 трлн т.у.т., экономический потенциал — 114,9 млн т.у.т.

Всего в России пробурено 3000 геотермальных скважин глубиной 2,5-3,5 км. На рис. 1 представлены значения мощностей геотермальных систем теплоснабжения регионов России в 2003 году; на рис. 2 — значения мощностей отдельных технологий использования геотермальных вод. По данным д.т.н. профессора О.А. Поварова суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения составляет до 430 МВт, перспективных до 21 ГВт.

В отдельных регионах их использование может обеспечить до 10 % суммарного энергопотребления. В настоящее время термальные водозаборы эксплуатируются в основном в трех регионах: Дагестане, Краснодарском крае, Камчатском полуострове. В 1984 году на балансе предприятий ОАО «Подзембургаз» (Москва) находилось около 250 геотермальных скважин глубиной до 3 км.

Из всех типов геотермальных ресурсов по классификации МЭК в России имеются месторождения влажного пара (Камчатка, Курильские острова), геотермальной воды (Камчатка, Курильские острова, Северный Кавказ), сухих горячих пород. Из разведанных месторождений — большая часть содержит геотермальную воду с температурой на поверхности земли 70-110 °C.

Во времена существования СССР геотермальные воды использовались в Краснодарском и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Дагестане, Камчатской области, Крыму, Грузии, Азербайджане и Казахстане. В 1988 году добывалось 60,8 млн м3 геотермальной воды (в Краснодарском, Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Камчатской области).

В СССР существовала система разведки, разработки и эксплуатации геотермальных ресурсов. Институтом ВСЕГИНГЕО был разработан атлас геотермальных ресурсов СССР с 47 месторождениями с запасами геотермальной воды 240-1000 м3/сут. и парогидротермами с запасами более 105-103 м3/сут. На его основе НПО «Союзбургеотермия» (Махачкала) выполнена схема перспективного геотермального теплоснабжения страны.

В СССР научно-исследовательскими работами по данной проблеме занимались институты Академии наук, министерств геологии и газовой промышленности. Функции головных научно-исследовательских организаций были возложены: по проблемам геотермальных электростанций — на Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского (Москва), по проблемам геотермального теплоснабжения — на Центральный научно — исследовательский институт инженерного оборудования (Москва), но проблемам эксплуатации — на Академию коммунального хозяйства (Москва).

Разработку месторождений, их обустройство и эксплуатацию, решение всех проблем (очистки, обратной закачки) осуществляли подразделения министерства газовой промышленности. В его составе работало пять региональных эксплуатационных управлений, научно-производственное объединение «Союзгеотерм» (Махачкала).

Эксплуатация систем геотермального отопления и горячего водоснабжения зданий была возложена на Госстрой СССР. В СССР первый нормативный документ по геотермии ВСН 36-77 «Инструкция по комплексному использованию геотермальных вод для теплоснабжения зданий и сооружений» был разработан в 1977 году. В 1987 году в институте «ЦНИИЭП инженерного оборудования» под руководством к.т.н. В.И. Красикова были разработаны нормы проектирования «Геотермальное теплоснабжение жилых и общественных зданий и сооружений», ВСН 56-87.

В настоящее время геотермальные ресурсы практически используются в трех регионах страны: Камчатка и Курильские острова, Краснодарский край и Дагестан. Общая мощность ГеоЭС на Камчатке и Курилах — 84,6 МВт, в том числе самая большая в России Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт. Геотермальные месторождения с водяным теплоносителем имеют существенно большее распространение.

В Краснодарском крае и Адыгеи разведано 18 месторождений геотермальных вод, в том числе 13 эксплуатируется, а пять простаивают без потребителей. Всего в данном регионе пробурено 86 геотермальных скважин, из которых 40 эксплуатируется. По данным 1986 года на рис. 3 представлена структура добычи геотермальной воды на месторождениях Краснодарского края при суммарном объеме 8,5 млн м3, на рис. 4 — структура их потребления на обогрев теплиц при общем объеме 4,6 млн м3, на рис. 5 — структура потребления на отопление и горячее водоснабжение объектов при общем объеме 3,9 млн м3.

На рис. 6 представлен график добычи геотермальной воды в Краснодарском крае с уменьшением почти в три раза по сравнению с советским периодом. Потенциальные тепловые мощности и выработка тепловой энергии геотермальных месторождений Краснодарского края и Адыгеи представлены на рис. 7. В этом регионе реализована первая очередь Демонстрационного проекта геотермального теплоснабжения мощностью 5 МВт.

В Дагестане пробурено 123 скважины, из них эксплуатировалось 58 скважин на восьми водозаборах. Максимальное количество геотермальной воды было добыто в 1988 году — 9,4 млн м3. В настоящее время в этом регионе ежегодно добывается 4,1 млн м3 геотермальной воды. Наиболее крупным месторождением Дагестана является Кизлярское, на котором из девяти скважин ежегодно добывается 1,4 млн м3 геотермальной воды.

На этом месторождении успешно осуществляется обратная закачка в две скважины в объеме 0,8 млн м3 в год отработанного геотермального теплоносителя, что составляет 57 % от общего объема добытой воды. Системы теплоснабжения двухконтурные. В первом контуре греющим теплоносителем является вода так называемого «чокракского» горизонта с температурой 115 °C, во втором — вода апшеронского горизонта с температурой 48 °C.

При населении города Кизляра 45 тыс. человек геотермальным отоплением и горячим водоснабжением обеспечивается 70 % жителей. Имеется проект увеличения мощности данной геотермальной системы из расчета обеспечения 100 % потребности города при обратной закачке всего отработанного теплоносителя. Стоимость реализации данного проекта около $ 1 млн. Срок окупаемости — семь лет.

В Махачкале на горячее водоснабжение многоэтажных жилых домов работает шесть геотермальных скважин с общим дебитом 13,6 тыс. м3/сут. при температуре 95-100 °C. Геотермальный термоводозабор города имеет производительность около миллиона м3/год с баком-аккумулятором вместимостью 4000 м3. В России при больших запасах геотермальных ресурсов их практическое использование имеют ограниченный характер.

Государственная политика в геотермальной энергетики отсутствует. Нормативные документы устарели, новые технологии имеют ограниченное применение.

Уже прочитали: 3 179

Геотермальная энергетика - откуда берется энергия?

Основные источники энергии, используемые сегодня, полностью обеспечивают все текущие потребности населения. Однако, согласно расчетам ученых, уже через 20 лет человечество начнет ощущать нехватку энергии. Это произойдет из-за постоянно возрастающих потребностей населения и, в особенности, промышленных предприятий. К тому времени заметно истощатся такие источники, как угольные нефтяные и газовые месторождения, а гидроэнергетические сооружения уже сегодня значительно изношены и нуждаются в поддержке со стороны.

Ученые видят выход в использовании альтернативных ( и ) или возобновляемых видов энергии (ВИЭ), одной из разновидностей которых является геотермальная энергетика.

Согласно результатов исследований, температура земного ядра составляет около 6000°С . По мере приближения к земной коре она понемногу снижается. Скорость охлаждения земного ядра составляет около 400°С за миллиард лет, что позволяет не беспокоиться о том, что источник иссякнет. Причиной такого нагрева считается постоянная реакция радиоактивного распада элементов, составляющих значительную часть земного ядра урана, тория, радиоактивного калия.

Использование этого тепла человеком пока значительно ограничено, поскольку технологические возможности низки и не позволяют получать энергию в любой географической точке. На сегодня используются только термоаномальные зоны, где имеются точки выхода на поверхность горячих пород или водных источников.

Различают следующие типы источников тепловой энергии:

• поверхностные, находящиеся на глубинах нескольких десятков метров
• подземные гидротермальные резервуары
• парогидротермальные участки
• петротермальные системы, обладающие «сухим» теплом горных пород
• магматические участки, где к поверхности подходят расплавленные горные массивы

Основными типами геотермальных источников являются участки с теплоносителями (вода или пар) и с сухими нагретыми горными породами. Рассмотрим их внимательнее.

Петротермальная энергетика

Петротермальная энергетика основана на получении энергии с помощью подземного тепла, полученного от горячих горных пород. Технологически это направление еще не отработано, поскольку для получения энергии требуется иметь доступ к нагретым горным породам, а они даже в регионах с повышенным температурным градиентом залегают на глубине около 2 км от поверхности. Поэтому на сегодня используются только близкие к поверхности, по сути - аномальные участки земной коры с выходом на поверхность горячих массивов.

При появлении технологической возможности бурить на глубины 8-10 км, сооружать геотермальные электростанции (ГеоТЭС) будет можно в любой точке, где это необходимо.

Получение электроэнергии планируется путем закачки в подземные полости воды, превращающейся в перегретый пар. Он выводится под давлением на поверхность, где подключается к турбинным установкам, производящим электроэнергию. Сложность заключается в необходимости большой площади контакта, чтобы получать достаточные мощности. Предполагается использование подземных разломов, систем трещин и прочих полостей с высокими температурами.

Гидротермальная энергетика

Это направление активно используется уже сегодня . Страны, имеющие на своей территории участки с богатыми горячими источниками, используют их для обогрева жилья и получения электроэнергии.

Наиболее заметными пользователями в этом направлении являются:

• Исландия
• Новая Зеландия
• Мексика
• Япония
• Италия
• Сальвадор

В зависимости от характера источников, температуры и мощности подземных процессов, устанавливаются электростанции, производится подключение городских отопительных сетей к подземным резервуарам с горячей водой, находящейся под давлением. Температура пара , пригодного для выработки электроэнергии в промышленных масштабах, должна составлять как минимум 200°С , что возможно не везде. Практически, все существующие ныне электростанции, использующие геотермальную энергию, являются особенными, работающими в отдельных уникальных условиях.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Как работает тепловой насос «грунт-вода» - плюсы и минусы, выбор оборудования

Принципы работы геотермальных электростанций

Геотермальные электростанции используют либо горячие горные породы для нагрева закачиваемой в подземные полости воды, либо естественные горячие источники , уже существующие в толще земли. Перегретый пар, образующийся в результате геотермальных процессов, выводится на поверхность земли и задействует лопатки турбин паровых электрогенераторов.

Изложенный принцип верно отражает схему, но на практике все обстоит намного сложнее. Во-первых, состав пара, выводимого из подземных емкостей, сложен и насыщен агрессивными и ядовитыми газами и соединениями. Во-вторых, количество выводимого носителя должно пополняться закачкой свежих объемов, иначе будет нарушен гидродинамический баланс, отчего функционирование источника может быть нарушено или вовсе прекратится.

В зависимости от типа источника существуют следующие типы ГеоТЭС:

• сооружения, установленные на природных источниках горячего пара или воды (парогидротермах)
• двухконтурные ГеоТЭС, использующие горячий водяной пар из источника и вторичный пар, полученный от подведенной и нагретой воды
• двухконтурные ГеоТЭС, использующие перегретую воду естественного происхождения

Конструкция каждой конкретной установки специализирована под местные условия, температуры и состав воды или пара. В большинстве случаев используются теплообменники, забирающие тепло у выведенного из подземных полостей носителя, который после этого закачивается обратно. Используются различные циклы очистки пара от ядовитых или агрессивных примесей, сернистых соединений, сероводорода и других веществ.

Достоинства ГеоТЭС

К достоинствам гидротермальных электростанций можно отнести:

• источник энергии практически неисчерпаем
• не используются углеводородные источники энергии
• сооружение ГеоТЭС не меняет природный ландшафт, не требует использования больших площадей поверхности земли
• необходимость во внешнем источнике энергии присутствует только на момент запуска оборудования. Как только станция дает первый ток, она обеспечивает свою работу самостоятельно
  никаких вложений, кроме первоначальных расходов на строительство, не имеется. Требуются лишь обслуживание и ремонт оборудования по необходимости
• существуют возможности дополнительного использования оборудования станции (например, в качестве опреснителей воды)
• экологическая чистота, отсутствие опасности заражения или загрязнения местности (этот пункт действует с определенными оговорками)

Недостатки

• привязка станции к точке выхода на поверхность горячих источников, иногда находящихся в удаленных районах
• эксплуатация ГеоТЭС способствует изменениям в ходе естественных природных процессов, в результате чего появляется опасность их прекращения
• скважины или иные точки выхода могут стать источниками выбросов вредных или агрессивных летучих соединений
• расходы на постройку станции достаточно велики, что способствует возрастанию стоимости энергии для конечного пользователя

Основная причина наличия указанных недостатков - неустойчивость естественных процессов для промышленного использования . Любое вмешательство способно нарушить хрупкое равновесие, а в гидродинамических системах опасность возрастает из-за появления возможности образования карстовых полостей. Эксплуатация ГеоТЭС требует аккуратного и бережного отношения к природным системам, возобновления объемов воды и прочих профилактических мероприятий.

Сферы применения

Геотермальная энергия на сегодняшний день не имеет преобладающего значения , но используется вполне активно. В регионах, где это возможно, создаются ГеоТЭС, станции обогрева жилья или производственных зданий и помещений. Рассмотрим наиболее популярные сферы использования геотермальной энергии:

Сельское хозяйство и садоводство

Доступ к нагретой воде или пару позволяет применять их в сельскохозяйственных или садоводческих комплексах и хозяйствах. Производится обогрев и полив растений , сельскохозяйственных культур в теплицах, оранжереях. Возможен обогрев сельскохозяйственных комплексов по содержанию и разведению животных, птицы. Возможности данного направления во многом зависят от характеристик источника, его специфических параметров и состава воды. Активное использование геотермальной энергии в сельском хозяйстве наблюдается в Израиле, Мексике, Кении, Греции Гватемале.