ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2010, № 6, с. 662-670
УДК 551
ТЕПЛО "СУХИХ" ГОРНЫХ ПОРОД - НЕИСЧЕРПАЕМЫЙ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ © 2010 г. Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской
Учреждение Российской академии наук Геологический институт РАН, Научный совет РАН по проблемам геотермии 119017Москва, Пыжевский пер., 7;
E-mail: mkhutorskoy@ginras.ru Поступила в редакцию 02.06.2010 г.
Рассматриваются геологические, методические и экономические аспекты извлечения и использования петротермальных ресурсов (тепла "сухих" горных пород) для производства электроэнергии и для теплоснабжения. Отмечается возможность использования в качестве коллектора тепла зон естественной трещиноватости или зон искусственной трещиноватости, создаваемых путем гидроразрыва подземных массивов пород. Использование новых разработок бурового инструмента для строительства глубоких скважин делает петротермальную энергетику конкурентноспособной как по сравнению с другими видами возобновляемых ресурсов, так и с традиционным органическим топливом.
Процесс интенсивного извлечения и использования невозобновляемых природных энергетических ресурсов в мире происходит очень быстрыми темпами. Слова "нефть" и "природный газ" стали самыми ходовыми не только в геологических публикациях, но и в политических сообщениях. И не случайно. Ведь запасы нефти и природного газа на суше стремительно убывают. Основные объекты потенциального прироста их запасов сосредоточены на континентальном шельфе.
Россия, несомненно, является одной из богатейших стран в мире по запасам энергетического сырья. Однако извлечение невозобновляемых энергоресурсов из недр происходит настолько интенсивно, что, по мнению европейских независимых энергетических агентств, наша страна уже в 30-е годы этого столетия может столкнуться с дефицитом экспортного потенциала углеводородов. В крупнейшей Западно-Сибирской провинции происходит постепенное падение добычи сырья. Прежний этап экстенсивного развития добычи природного газа подошел к завершению. Так, извлечение газа из месторождений-гигантов Нижнего Приобья — Медвежьего, Уренгойского и Ямбургского — составил, соответственно, 84%, 63% и около 50%.
РАСХОДОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА
Значительная часть добываемого из недр Земли невозобновляемого органического сырья сжигается как топливо для энергоустановок. В струк-
туре топливных ресурсов доля природного газа составляет 64%. Для получения тепла расход углеводородного топлива увеличивается почти в два раза по сравнению с его расходом на производство электроэнергии. На энергетических предприятиях страны с целью получения тепла и электроэнергии ежегодно сжигается более 500 млн т у.т.(тонн условного топлива). Это тот случай, когда вспоминаются слова великого Д.И. Менделеева "о сжигании ассигнаций".
В целом в мире ради получения тепла и энергии ежесуточно сжигается более одного миллиона тонн угля и нефти, миллиарды кубометров природного газа. Хотя далеко не вся тепловая энергия при сгорании углеводородов эффективно используется. КПД тепловых электростанций, работающих на природном газе, не дотягивает до 50%. Половина вырабатываемого тепла "вылетает в трубу" и рассеивается в пространстве. А такой вид топлива, как каменный уголь одновременно извлекает из воздуха большое количество кислорода и загрязняет окружающую среду.
Эквивалентное количество энергии по сравнению с тепловыми электростанциями можно получить на атомных станциях, сжигая не миллионы, а сотни тонн ядерного топлива — разница огромна, в четыре порядка. Однако при этом необходимо гарантировать экологическую безопасность использования ядерной энергетики — исключить повторение Течи и Чернобыля, а также обеспечить безопасный и дорогостоящий вывод из эксплуатации устаревших и отработавших свой срок энергоблоков АЭС. Запасы урана в мире тоже ограничены. Доказанные извлекаемые его за-
пасы составляют порядка 3 млн 400 тыс. т. За весь период до 2007 г. его уже добыто около 2 млн т.
Объективные факторы и тенденции развития энергетики позволяют предположить, что в первой половине XXI века произойдет полная или почти полная переориентация на нетрадиционные источники энергии. Нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, а тем более древесина и продукты ее переработки практически будут исключены из энергетических ресурсов. Энергетический апокалипсис не за горами — в Европе его ждут к 2030-2040 гг.
ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Возросший в последние десятилетия в мире интерес к альтернативным источникам энергии вызван не только истощением запасов углеводородного топлива, но и необходимостью решения ряда экологических проблем. Объективные факторы (резервы ископаемого топлива и урана, а также изменение среды, вызванные традиционной огневой и атомной энергетикой) позволяют утверждать, что переход к новым способам и формам получения энергии является неизбежным. Чем раньше будет сделан прорыв в этом направлении, тем менее безболезненным он будет для всего общества и тем более выгодным для страны, где такой прорыв произойдет.
Мировая экономика в настоящее время переходит к рациональному использованию традиционных и новых источников энергии. Энергопотребление в мире к 2000 г. составляло более 18 млрд т у.т., к 2025 г. оно может возрасти до 30-38 млрд т у.т., а к 2050 г. до 60 млрд т у.т. Характерной тенденцией развития мировой экономики в этот период будет систематическое снижение доли органического топлива и компенсирующий рост доли возобновляемых энергетических ресурсов.
Неисчерпаемая тепловая энергия Земли - геотермальная энергия - занимает среди последних одно из лидирующих мест. Непрерывная генерация внутриземного тепла за счет радиоактивного распада долгоживущих изотопов, содержащихся в геосферах Земли, а также переход энергии гравитационной дифференциации в глубинных оболочках планеты в тепло компенсирует его внешние потери и определяет возобновляемость геотермальных ресурсов.
На Всемирных геотермальных конгрессах, состоявшихся в 2000 г. в Японии и в 2005 г. в Турции отмечалось, что использование тепла Земли станет одним из магистральных направлений в энергетике третьего тысячелетия. Предполагается, что к концу XXI века доля геотермальных ресурсов в энергобалансе мировой экономики возрастет по крайней мере до 30%, а по самым оптимистич-
ным прогнозам даже до 80% [Huttrer, 2000; Lund, Freeston, 2000].
Весьма богатые по сравнению с другими странами топливные ресурсы России пока обеспечивают развитие отечественной энергетики, поэтому освоение новых источников энергии еще не стало у нас действительно острой необходимостью и социально значимой проблемой. Это объясняет, но отнюдь не оправдывает недостаточное внимание государственных структур к программам освоения нетрадиционных возобновляемых энергоресурсов, в том числе и геотермальных.
Ресурсы внутриземного тепла разделяются на гидротермальные и петротермальные. Первые представлены теплоносителями-флюидами — подземными водами, паром и пароводяной смесью. Вторые представляют собой геотермальную энергию, содержащуюся в горячих горных породах, нагреваемых за счет глубинного кондуктив-ного теплового потока.
Общие кондуктивные теплопотери Земли сегодня оцениваются величинами от 25 до 32 ГВтт. Эти выводы опираются на материалы обширных региональных исследований. Такие исследования в ХХ веке особенно интенсивно развивались в нашей стране. В результате было создано множество разнообразных геотермических карт, изданных в разное время [Геотермический ..., 2000; Карта ..., 1980; Подгорных, Хуторской, 1997 и др.]. Собранная при этом обширная база данных о глубинных температурах позволяет создавать для отдельных регионов двухмерные и трехмерные геотермические модели [Khutorskoy et al., 2004].
Гидротермальные ресурсы составляют лишь 1% от общих ресурсов геотермальной энергии, но в силу относительной технологической простоты их извлечения утилизация этого вида внутризем-ных ресурсов началась более ста лет назад и с успехом продолжается до настоящего времени. Однако районы их возможного энергетического использования приурочены к зонам современного вулканизма, где подземные воды приобретают дополнительный тепловой потенциал при соприкосновении с магматическими телами и циркулируют на относительно небольшой глубине, доступной для буровой техники сегодняшнего дня.
Срок службы скважин во многих странах не достигает и десяти лет. Использование термальных высокоминерализованных вод в качестве теплоносителя приводит к химической кольмата-ции скважин, солеотложению и коррозии оборудования. Кроме того, все источники гидротермальной энергии в подавляющем большинстве отдалены от потребителя. Это во многом ограничивает их утилизацию, хотя следует указать на значительный прирост в последнее двадцатилетие доли гидротермальной энергии в таких странах, как Мексика, Филиппины, Япония, Новая
Зеландия, Китай, Сальвадор и др. В России общая инсталлированная мощность геотермальных электростанций составляет 73 МВтэ, хотя до 2000 г. электроэнергия производилась только на Пау-жетской геотермальной теплоэлектростанции (ГеоТЭС) мощностью 11 МВт на юге Камчатки. До указанного значения мощность возросла после пуска на Камчатке в 2000 г. Мутновской ГеоТЭС мощностью 50 МВт и в 2001 г. Верхне-Мутнов-ской — мощностью 12 МВт.
Опыт подтверждает, что при наличии неглубоких коллекторов природного пара ГеоТЭС представляют собой наиболее выгодный вариант использования геотермальной энергии.
По предварительным оценкам на территории России прогнозные запасы термальных вод с температурой 40—250°С, минерализацией 35—200 г/л и глубиной залегания до 3 км возможно извлекать с дебитом 21—22 млн м3/сут., что эквивалентно сжиганию 30—40 млн т у.т./год [Поваров и др., 1994].
ПЕТРОТЕРМАЛЬНЫЕ РЕСУРСЫ
Огромное значение для энергетики будущего имеет извлечение тепловой энергии, заключенной в "сухих" горных породах, — петротермаль-ных ресурсов. Эта энергия составляет около 99% от общих ресурсов подземного тепла. На глубине до 5—6 км в активных геодинамических провинциях можно встретить массивы пород с температурой 250—300°С. Но породы с температурой 100—15
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.