Запас тепла

Геотермальная энергетика давно уже не выглядит революцией. С тех пор как были запущены первые установки, способные превращать земное тепло в полезные киловатты, прошло больше века. Сегодня даже существует страна, которая полностью отказалась от других видов электростанций, — Исландия. Тем не менее у геотермальной энергетики — большое будущее, а геотермальные станции — это почти perpetuum mobile.

Откуда человечеству черпать энергию — по-прежнему один из самых насущных вопросов. Токамаки пока остаются экспериментом, углеводороды скоро закончатся, атомная энергетика все так же опасна. И даже ветер и солнце не слишком-то надежные источники энергии: сегодня ясно — завтра тучи, сегодня ветрено — а завтра мертвый штиль, так что приходится подключать ветряк к дизельному мотору, ставя крест на экологичности. А между тем в толще земной коры, на глубине порядка 5 километров, таится энергия тепла Земли, способная покрыть все наши потребности на многие тысячи лет вперед. И далеко не только там, где на поверхность выходят гейзеры.

Гейзеры стали основой геотермального рывка Исландии — которая считается витриной геотермальной энергетики. Эта страна — растиражированный пример разумного и прогрессивного использования этого вида ресурсов, где ГеоЭС лаконично дополняют сказочный пейзаж исландских земель. Энергию подземных пород и теплых источников по-своему использовали еще первые исландские поселенцы, переехавшие сюда в поисках новых владений викинги, — однако первой в мире страной, превратившей земное тепло в киловатты электроэнергии, была совсем не Исландия. Мировым лидером по числу добытых киловатт она тоже не является — правда, у этого есть объективная причина: Исландия все-таки совсем маленькая страна, хотя и остается чемпионом по доле использования энергии земного тепла на душу своего 300-тысячного населения. Более того, электростанции, построенные на гейзерах, ставшие узнаваемым символом и самой Исландии, и отрасли в целом, — теперь уже не самый перспективный и не самый распространенный способ доставить земное тепло в домашние розетки.

За последнюю четверть века на рынке геотермальной энергии появились и другие лидеры — после того, как стало ясно, что энергетические ресурсы земного тепла доступны почти везде на планете, даже вдалеке от вулканов, гейзеров или сейсмически активных зон.

Использование воды в геотермальной энергетике к тому же самый дискуссионный вопрос среди тех, кто занят передовыми разработками в этой сфере. В современном мире у геотермальной энергетики два основных применения: производство электроэнергии и отопление. И то и другое относится к сфере устойчивого развития — и именно геотермальный потенциал вызывает наибольший энтузиазм у разработчиков новых, экологичных систем отопления и охлаждения. И чем дальше развивается геотермальная энергетика, тем на большие глубины она спускается: все исследования в этой области начиная с 1970-х годов направлены на то, чтобы выявить возможность использовать высокие температуры земных недр для выработки энергии.

Глубже всех пока забрались все те же исландцы. В феврале 2014 года здесь, у подножия вулкана Крафла была запущена первая в мире электростанция, в качестве источника энергии использующая непосредственно… земную магму. Станция стоит на 2100-метровой скважине, температура на дне которой достигает внушительных 1000 °C. Строительством занималась группа компаний в рамках консорциума Iceland Deep Drilling Project, а коммерческому запуску станции предшествовали несколько лет экспериментов, начавшихся после того, как в 2009 году исландские геологи обнаружили рядом с Крафлой магматический выход.

Несмотря на то что в теории до магмы можно добраться в любой точке планеты, на практике исландский случай уникален. Обычно земная кора гораздо толще, а магма залегает гораздо глубже, — настолько, что добраться до нее невозможно. Во всяком случае, с помощью существующих сегодня технологий. В мире пока что зафиксирован лишь еще один подобный случай попадания в магматический слой — в 2007 году на Гавайских островах.

Впрочем, доступные для превращения в электроэнергию ресурсы земного тепла можно найти и гораздо ближе к поверхности. Одной из главных технологий, позволяющих задействовать горячие породы, стала разработанная в лаборатории в американском Лос-Аламосе (именно США сегодня — мировой лидер по совокупной мощности геотурбин), а затем опробованная на специальной геотермальной станции в Фентон-хилл в штате Нью-Мексико технология hot dry rocks — добыча энергии из «горячих сухих камней».

Это именно то, что сегодня подразумевается под «петротермальной» энергетикой (термин произведен от греческого слова «камень») — отраслью, основанной на тепловом потенциале земных недр. Эта технология предполагает, что вода становится проводником тепловой энергии, доставляя ее на поверхность земли — она проходит через недра под давлением и находится в замкнутой петле. Холодная вода попадает под давлением в слои проницаемых пород (проницаемость — обязательное условие функционирования этой технологии). Под ее воздействием в горных породах открываются уже существующие в них пустоты, что позволяет сформировать почти естественный резервуар. Резервуар, кстати, может получиться впечатляющий — объемом до кубического километра. Затем нагретая горячими горными породами вода выбрасывается на поверхность. Она идет в дело как в виде пара (с его помощью запускается паровая турбина для выработки электроэнергии), так и в виде горячей воды — которую применяют на электростанциях с бинарными циклами.

Технология hot dry rocks требует глубинного бурения и, как полагают, даже может увеличивать риск землетрясений. Хотя в большинстве случаев свойства сжатия-растяжения пористых пород нивелируют давление на них.

На технологии бинарных циклов работает одна из самых больших на сегодняшний день геотермальных электростанций — Cerro Prieto, расположенная в Мексике. Вообще Центральная Америка, наряду с США, сохраняет звание одного из ключевых геотермальных рынков в мире. Региональные лидеры — Мексика, Коста-Рика и Сальвадор. В двух последних странах количество проектируемых геотермальных станций превышает количество уже запущенных — и обе они обгоняют Россию (она занимает 13-е место) в рейтинге геотермального развития, если судить по данным 2015 года.

В основе и существующих петротермальных станций, и тех, что будут введены в эксплуатацию в ближайшем будущем, не всегда лежит технология hot dry rocks (HDR). Ее, кстати, нередко отождествляют с технологией EGS — enhanced geothermal system, но это не совсем верно. EGS — «периферийный» вариант технологии HDR, предлагающий при помощи управления давлением, при котором вода подается в недра, эффективнее использовать менее активные «окраины» геотермальных регионов. Так что можно считать ее даже более универсальной.

Статистика позволяет сделать интересный вывод: не всегда геотермальная энергетика прогрессивно развивается в тех странах и регионах, где доступ к тепловой энергии недр был обеспечен на протяжении всей истории. Например, хотя Китай и является мировым лидером в сфере геотермального отопления (не путать с геотермальной энергетикой вообще), почти весь его объем реализуется во вполне традиционной сфере — в подогреве бань. А в Японии владельцы традиционных термальных купален и спа так и вовсе составляют мощную оппозицию развитию геотермальной энергетики — в то время как правительство принимает меры, которые должны способствовать ее росту. Поэтому японскую геоэнергетику не стоит считать самой перспективной, даже в рамках восточноазиатского региона. А лидером здесь неожиданно оказываются не слишком урбанизированные и не слишком богатые Филиппины.

Филиппины — вторая после США страна мира по совокупной мощности геотермальных станций, которые еще в 2010 году покрывали внушительные 27% энергетических потребностей страны. Несмотря на экономические трудности в этом секторе, на Филиппинах находится один из десяти самых масштабных геотермальных энергетических комплексов в мире, Макабан. А для участников частного сектора в геотермальной энергетике (чаще всего это небольшие станции) разработаны специальные «зеленые тарифы», способствующие привлечению инвестиций в сферу возобновляемой энергии.

Вообще частное и государственное участие в сфере геотермальной энергетики — один из самых сложных и интересных вопросов в экономике возобновляемых ресурсов, и их соотношение формируется в зависимости от конкретных экономических, социальных и природных условий. Особенно остро этот вопрос стоит сейчас для Кении — единственной в Южной Африке стране с рабочей системой геотермальной энергетики. Именно в Кении, на территории национального парка с устрашающим названием «Врата Ада», находится самая мощная в мире геотермальная станция — 140-мегаваттная «Олкария IV».

Первые изыскания в области энергетики земного тепла в Кении начались еще в 1970-е, и здесь по-прежнему делают большую ставку на этот вид энергии. Недавно страна обратилась во Всемирный банк с просьбой о финансовой поддержке в разработке нового, долгосрочного плана геотермального развития на ближайшие 15 лет.

Если кенийцы делают ставку на господдержку и международную помощь, то другие страны предпочитают рассчитывать на частный капитал. Участие частного сектора преобладает, например, в Турции: по оценкам экспертов, местный рынок геотермальной энергетики — один из самых динамичных. Как и Китай, Турция занимает одно из первых мест в мире по объему основной геотермальной энергии, задействованной в теплоснабжении. Обычно в этой сфере речь идет о стандартной системе отопления, но, например, в США и Швеции основной объем геотермального тепла используется в системе тепловых насосов (их действие схоже с действием холодильника или кондиционера).

Геотермальный тепловой насос может работать как для обогрева, так и для охлаждения. Это связано с тем, что на определенной глубине (от нескольких десятков до нескольких сотен метров) температура горных пород примерно равна среднегодовой температуре воздуха на поверхности, а это значит, что в летний сезон геотермальные тепловые насосы позволяют поддерживать более низкую температуру в помещениях. Самой популярной сегодня остается технология прямого распространения (direct expancion, DX), при которой хладагент подается тепловым насосом по трубкам, а затем теплообмен происходит уже непосредственно через стенки труб (обычно трубы делаются из меди, потому что этот металл показывает долгий срок службы в большинстве почв).

Несмотря на малую площадь и сравнительно небольшую глубину, мощностей такой отопительной системы хватает, чтобы удовлетворить потребность в поддержании тепла на целом предприятии. Но в некоторых странах, где геотермальная энергия используется давно, а объем грунтовых вод достаточен, используют напрямую тепло подземных источников, не прибегая к хладагентам. Это то направление геотермальной энергетики, которое не требует глубокого бурения (достаточно небольшой мобильной установки) и не задействует экстремальную температуру действительно глубоко залегающих пород. Геотермальное отопление вполне заслуженно признается наиболее экологичным — оно не только использует возобновляемые ресурсы, но и устроено таким образом, что позволяет не оказывать прямое воздействие на окружающую среду.

Экологичность — главная причина, по которой геотермальные возможности сегодня привлекают в небольшие проекты. Особенно в тех странах, где этот вид энергетики пока не слишком развит — например, в Австрии. В городке Клагенфурт на самом юге Австрии, в Каринтии, только что достроили комплекс «Гланхоф» — который теперь может служить отличным примером энергетически автономного дома. Его авторы — венское архбюро с прямолинейным названием Architects Collective, успевшие реализовать в Клагенфурте уже несколько своих проектов. Но «Гланхоф», похоже, самый впечатляющий из них: легкий зигзагообразный фасад ритмически дополняют полупрозрачные разноцветные панели, а внутри он скрывает помпу и геотермальный резервуар, обеспечивающий работу систем отопления и кондиционирования. Надо сказать, что геотермальная энергия — не единственный источник питания этого жилого комплекса, рассчитанного на 150 семей. Его энергетические потребности также удовлетворяет система солнечных панелей — их в этом случае потребовалось не так много: дом спланирован так, чтобы по максимуму использовать естественное освещение (разноцветные панели и зигзагообразная структура фасада играют в этом не последнюю роль).

Вопросы экологии серьезно волнуют и тех, кто занимается развитием «большой» геотермальной энергетики. Ведь сами геотермальные электростанции не на 100% «зеленые» — они тоже выбрасывают в атмосферу углерод, хотя и в меньшем объеме, чем большинство других электростанций. Объем выбросов и их потенциальный вред очень различаются в зависимости от местоположения геотермальной станции и экологических условий вокруг нее — и сейчас эксперты разрабатывают рекомендации по уменьшению «углеродного следа» в зависимости от конкретных условий. Геотермальная энергетика вообще привлекает множество исследовательских разработок — и далеко не только таких, которые напрямую связаны с добычей тепловой энергии или повышением эффективности работы станций, но и тех, что относятся к разведке новых геотермальных ресурсов. Вот, например, ученые из новозеландского Окленда смогли сделать самый большой и подробный снимок вулканической области Вайомити при помощи дрона, на котором были установлены тепловые камеры (тепловизоры). Им удалось не только увидеть тепловую карту местности, но и измерить температуру в озере, которое недоступно исследователям из-за своего расположения. При помощи аэросъемки, ставшей уже вполне привычной во многих других исследовательских областях, ученые получат возможность исследовать труднодоступные объекты и обнаруживать новые геотермальные зоны — и сооружать новые станции.

Геотермальная энергетика развивается и в европейских регионах — хотя большинство из них по-прежнему делает ставку на другие виды альтернативной энергетики. Например, экспериментальный проект ECOGI имел задачу выяснить, сможет ли полученная геотермальная энергия обеспечивать промышленные мощности долины Рейна. А французские разработчики геотермальных технологий применяют их не только в собственных условиях (например, в Центральном массиве, «старых» горах вулканического происхождения), но и экспериментируют в других регионах мира (например, они построили единственную геотермальную электростанцию в Карибском бассейне — La Brouillante в Гваделупе).

Будущее геотермальной энергетики — всемирного масштаба. И эта одна из немногих областей, которой пойдет на пользу экстенсивное развитие. Чем дальше, тем больше технологии получения тепла из глубин земной коры будут распространяться за пределы районов вулканизма или сейсмической активности. А развитие технических возможностей может сделать их действительно универсальными — и позволит человечеству наконец не зависеть ни от силы ветра, ни от количества солнечных дней, ни от запасов нефти, газа и угля.