Древние греки верили, что под землей есть царство мертвых, и на самой его глубине ужасно холодно. В подземное ледяное озеро отправил отъявленных грешников и Данте в «Божественной комедии». Существует ли ад, наукой не доказано, но точно известно, что под землей скрывается не холод, а жар. На дне 12-километровой Кольской скважины датчики зафиксировали 230 градусов, но даже менее нагретые недра можно использовать как источник тепла и электричества.
Ученые задумались о том, как использовать тепло недр Земли, полтора века назад. Наладить работу такой «печки» получилось в 1892 году: в мире появилось первое геотермальное отопление, а в 1911-м построили первую геотермальную электростанцию.
Казалось бы, пробурил скважину в любой точке земной поверхности, «докопался» до нагретых горных пород и подземных вод — и получил долгоиграющий «обогреватель». Однако на пути к подземному жару есть препятствия, которые пока не дают геотермальной энергетике заменить все другие источники энергии.
Жар Земли — это геотермальная энергия. Она делится на гидротермальную и петротермальную: в первом случае энергия исходит от разогретых горных пород, во втором — от жидкостей и газов, которые нагреваются о породу. Сегодня используют в основном тепло жидкостей и газов — применять тепло горячих пород сложнее и дороже.
Не каждый участок земли подходит для устройства геотермальной станции. Энергетикам необходимо сначала узнать геотермический градиент — количество градусов, на которые растет температура каждые 100 или 1000 метров глубины. На нашей планете с каждым километром вглубь температура недр в среднем повышается на 25–30 градусов. На глубинах 3–4 километров, которых достигают нефтегазовые скважины, температура недр составляет около 100 градусов.
Наиболее привлекательны для геотермальной энергетики территории, где вообще не надо копать. Тепло Земли в таких местах само выходит на поверхность в виде горячей воды и пара — это тектонически активные зоны с разломами в земной коре. В России к ним относятся Камчатка, Курильские острова, Кавказ и некоторые районы у Байкала. Горячую воду из земных глубин можно запускать сразу в отопительные трубы: такой способ геотермального теплоснабжения почти сто лет назад стали использовать на Кавказе.
Почему внутри Земли так жарко? По одной версии, причиной возникновения тепла стало сжатие газопылевого облака, из которого около 4,5 миллиарда лет назад образовалась наша планета. Постепенно облако разделялось на ядро, мантию и кору, и эти процессы сопровождались выделением тепловой энергии. Сегодня от пыла и жара древности осталось не так уж много: ядро разогрето примерно до пяти тысяч градусов, а на глубине 100 километров температура понижается до 1300–1500 градусов. Другая гипотеза возникновения высокой внутренней температуры Земли — радиоактивный распад долгоживущих нестабильных элементов: урана, тория и калия. Еще одна версия называет первопричиной жары трение жидких слоев внешнего земного ядра друг о друга, о внутреннее ядро и мантию.
Подземную энергию можно превратить в электричество. Принцип работы геотермальной электростанции (ГеоЭС) такой же, как у любой теплоэлектростанции: турбину вращает нагретый пар, и механическая энергия превращается в электрическую. Сейчас около 90% всех мощностей геотермальных электростанций и выработки геотермальной электроэнергии в мире приходится на Тихоокеанское вулканическое огненное кольцо.
Первые ГеоЭС в России построили на Камчатке в 1965–1967 годах. Это до сих пор работающая Паужетская и выведенная из эксплуатации Паратунская станции. Мощность последней — 600 киловатт, она стала прототипом для строительства сотен подобных станций по всему миру. Сегодня в России работают четыре ГеоЭС, крупнейшая — Мутновская на Камчатке.
Когда пар поступает на турбину из недр, схема работы ГеоЭС называется прямой. Другая схема, непрямая, самая распространенная: горячую подземную воду нагнетают в испаритель, и получившийся пар вращает турбину. Третья схема — смешанная: горячая вода из глубин нагревает вещество с менее высокой температурой кипения (например, изопентан кипит при 28 градусах), и оно превращается в пар, а дальше вы знаете.
Чтобы получить земное тепло и сократить затраты, можно бурить скважины в местах, где недра нагреты до высоких температур на небольших глубинах: 1–2 километра. Такие территории есть в Ленинградской области, Прибайкалье и Забайкалье, южной части Западной Сибири и Северо-Восточной Сибири.
Еще проще, если скважины уже пробурены, например для добычи нефти и газа. Тогда «попутное тепло» может стать дополнительным бонусом. Для поиска подземных термальных источников можно использовать технологии геологов, разведывающих запасы нефти. Часто термальные источники находят рядом с палеозойской нефтью — ее залежи сформировались, когда на Земле хозяйничали трилобиты и «цвели» морские лилии.
Флорида Грабовская
геолог «Газпром нефти»
Мы детально изучили геологическое строение отложений с нефтью, образовавшихся больше 210 миллионов лет назад, и обнаружили, что в центральных частях пород палеозойской эры могли сформироваться бассейны горячей воды.
Месторождения углеводородов в разогретых подземной энергией зонах используют в Западной Сибири, в районе Воркуты, в предгорьях Кавказа, на Сахалине.
На сегодня доля геотермальной энергетики в мировом производстве электроэнергии составляет 0,4%, в России это лишь 0,04%. Даже при ускоренном развитии геотермальная энергия в ближайшие годы не заменит основные источники — уголь, нефть и газ, доля которых в производстве электричества больше 60%.