В последние десятилетия запасы углеводородного топлива и урана истощаются, использование традиционной атомной и огневой энергетике ведут к изменению окружающей среды и возникновению ряда экологических проблем. Поэтому во всем мире сегодня обращено внимание на иные источники энергии. Первое место среди таких источников занимает глубинное тепло Земли.
Ресурсы геотермальной энергии принято разделять на гидрогеологические и петрогеотермальные. Гидрогеологические ресурсы составляют около 1% от общих ресурсов тепла Земли. Второй вид геотермальной энергии содержится в раскаленных горных породах.
Сегодня для добычи геотермальных ресурсов применяется фонтанная технология. Такая технология проста, но не эффективна. Бурение таких самоизливающихся скважин может окупить затраты на него только при небольшой глубине геотермального коллектора с высокой температурой, находящегося в зоне термоаномалий. Но срок службы даже таких скважин обычно не превышает и 10 лет.
ГеоТЭС на месте неглубоких коллекторов природного пара вполне конкурентоспособны по сравнению прочими типами энергоустановок. В нашей стране целесообразно использовать запасы геотермальных вод на полуострове Камчатка, на Курильских островах, на Северном Кавказе. Однако месторождения пара не так часто встречаются и запасы пара невелики. Более распространены месторождения теплоэнергетических вод, но они часто находятся достаточно далеко от потребителя. По этим причинам невозможно эффективно использовать их в крупных масштабах.
Геотермальные воды, как правило, сильно минерализированы и использование таких источников в качестве теплоносителя ведет к солеотложению в скважинных зонах. Все это неблагоприятно отражаются на работе оборудования. К проблемам также относится сброс токсичных и минерализованных вод. Все это не позволяет фонтанной технологии стать основой для повсеместного освоения геотермальных ресурсов.
По прогнозам на территории Российской Федерации запасы термальных вод, залегающих на глубине до 3000 м, составляют около 22 млн. м3/сут. Это эквивалентно использованию 40 млн. тонн угольного топлива в год. На Камчатке и Курильских островах запасы природного пара оценивают в 500 тыс. м3/сут., а запасы термальных вод – 150 тыс.м3/сут.
Для энергетики гораздо большее значение имеет добыча энергии из петрогеотермальных ресурсов. Энергия, содержащаяся в твердых породах, составляет подавляющее большинство всех ресурсов энергии Земли. Температура горячих подземных пород расположенных на территории России составляет от 100 до 200 0С, а у пластов, находящиеся возле очагов некоторых вулканов, температура достигает 400 0С.
Как сформировались геотермальные ресурсы Земли?
В течение многих миллиардов лет гравитационные, ядерные и прочие процессы, протекающие в недрах Земли, производят тепловую энергию. Этот процесс не прекращается ни на минуту. Часть образовавшейся тепловой энергии излучается в космическое пространство, но большая ее часть копится в недрах Земли в твердой, жидкой и газообразной фазе вещества. Внешние потери геотермальной энергии полностью компенсируется тем внутриземным теплом, которое непрерывно генерируется внутри Земли, и этим определяется возобновляемая часть геотермальных ресурсов. Та часть тепла, которая выносится к земной поверхности, превышает мощность современных энергоустановок в три раза, а общий потенциал энергии Земли практически неисчерпаем.
Таким образом, использование геотермальных ресурсов Земли наиболее перспективно по сравнению с другими альтернативными источниками энергии. Частичная замена нефти, газа и угля использованием глубинного тепла Земли через какое-то время станет реальной не только на территориях с высокими геотермальными параметрами, но и во всех прочих районах Земли при бурении эксплуатационных скважин и организации между ними циркуляционных систем.
Для наиболее эффективной работы таких циркуляционных систем из-за низкой теплопроводности пород в зоне отбора тепла необходимо иметь развитую теплообменную поверхность. В качестве такой поверхности могут служить нередко встречающиеся на тех же глубинах пористые слои. Проницаемость этих зон может служить для принудительной фильтрации теплоносителя, а также для создания обширной теплообменной поверхности методом гидроразрыва. Сегодня такой метод применяется в нефтегазовых разработках с целью повышения нефтеотдачи. Современные технологии позволяют создать гидроразрывы с трещинами протяженностью до 2 или 3 км.
Идея разработки геотермальных ресурсов из твердых пород, была высказана еще К.Э.Циолковским в 1914 году, а в 1920 году В.А.Обручев описал геотермальную циркуляционную систему в горячем гранитном массиве. Первая ГЦС была создана в Париже в 1963 году с целью кондиционирования воздуха в комплексе «Бродкастин Хаос». В последующие годы было создано еще 63 ГЦС, вырабатывающие энергию мощностью 450 МВт. Первая ГЦС в СССР была создана в 1985 году в Ханкальской долине вблизи города Грозного.
В 1977 году в США приступили к проведению испытаний ГЦС с гидроразрывом фактически непроницаемого массива. Холодная вода, нагнетаемая через нагнетательную скважину, нагревалась из-за теплообмена с горячими горными породами, а затем поднималась по эксплутационной скважине на поверхность уже в виде пара.
На сегодняшний день добыча геотермальных ресурсов ведется в 65 странах. Например, США было разработано более двух сотен проектов геотермального теплоснабжения. Работы по созданию ГЦС проводились в Англии, Германии, Швеции, Японии.
Как было показано на практике и исходя из опыта многих стран, использование глубинного тепла Земли могут оказаться во много раз выгоднее традиционных тепловых и атомных энергоустановок. Фактически геотермальная энергия представляет собой единственный действительно крупный, возобновляемый источник, использование которого позволит существенно снизить энергозатраты. Прочие источники энергии, обладающие подобной неисчерпаемостью, по-прежнему остаются дороже существующих топливных.
Хотя геотермальные технологии уже имеют длительную историю развития, но высокого развития она еще не достигла. При строительстве глубоких скважин из-за высоких температур обычные породоразрушающие инструменты оказываются малопригодны. К выбору бурильных труб, растворов, креплению и заканчиванию скважин применяются особые требования. Порой бурение скважин растягивается на годы, а, кроме того, требует значительных затрат. Для решения этой проблемы необходимо разработать прогрессивную технологию извлечения энергии горячих пород.
