Свет из подземелья

Среди альтернативных видов энергии геотермальная занимает первое место, опережая ветровую, солнечную и приливную. Тепло Земли дает около 60% от общего объема используемого природного энергетического ресурса. Его можно получать не только в местах разлома коры, но и на равнинах. При этом нет необходимости бурить скважины чуть ли не до магмы.

В 2006 году на севере Франции в эльзасском городке Солтц-су-Форет должна заработать энергетическая установка нового типа, основанная на принципе использования подземного тепла. Ее отличие от других подобных геотермальных устройств состоит в том, что холодная вода, которая берется на поверхности, закачивается глубоко в землю для подогрева. Предыдущие же системы просто извлекали природные горячие воды на поверхность, а потом их естественное тепло трансформировалось в энергию.
Метод hot-dry-rock (HDR) предполагает, что на глубину трех - пяти километров через несколько труб нагнетается холодная вода. Забирая естественное тепло, она нагревается до высоких температур. При нагреве происходит расширение объема воды, и под давлением она сама поступает наружу через другие трубы. Добытый кипяток может использоваться для производства электроэнергии и обогрева домов. Если этот проект германских и французских исследователей окажется успешным, то геотермальная энергетика не будет иметь географических ограничений для своего развития. В недрах земли не всегда и не везде можно найти природный кипяток, но температура земной коры на глубине трех километров достигает 100°С. Этого достаточно, чтобы вскипятить закачанную воду.

Огненное кольцо
В настоящее время геотермальные ресурсы, позволяющие получать электроэнергию, разведаны в 80 странах, а используются в 58. На Земле существует много геологических разломов, где расплавленные магматические породы подходят близко к поверхности. Они нагревают подземные воды до температур, достигающих 300°С. Вода пробивается на поверхность земли в виде горячих источников или гейзеров. Построенные станции преобразовывают тепло в электрическую энергию. Также тепло может использоваться для обогрева домов и теплиц. Энергия, полученная из геотермального источника, не может решить глобальные энергетические проблемы, но она позволяет снизить зависимость от использования ископаемого топлива. Ученые стали изучать земное тепло как вид энергии лишь во второй половине XX века, хотя возможность его бесплатного использования и раньше привлекала внимание предприимчивых людей. Первую попытку превращения энергии Земли в электрический ток сделал флорентийский предприниматель Пьеро Конти. В 1904 году после многочисленных опытов ему удалось заставить загореться пять электрических лампочек. Преобразователем энергии выступил обычный поршневой двигатель.

Перед Первой мировой войной в итальянском городке Лардерилло в Тоскане вступила в строй первая геоэлектростанция с одной маломощной турбиной. Сейчас там работают 35 геотермальных электростанций, принадлежащих концерну Enel. Они производят 4, 5 млрд. кВт/ч в год. Этот объем составляет 2% электроэнергии, потребляемой в стране.

Камчатские мегаватты
Во второй половине 1950-х годов инженеры смогли справиться с технологическими трудностями в преодолении мегаваттного барьера. Этот рубеж был принципиален, поскольку обозначал переход от научных опытов к возможному промышленному использованию. Первые геотермальные станции мощностью в несколько мегаватт появились в Новой Зеландии в 1958-м. Годом позже заработали большие экспериментальные станции в Мексике и США. Подобные электростанции были построены также в Японии и на Филиппинах. В то же время в Исландии геотермальная энергия стала единственным источником тепла. В СССР первые исследовательские группы Института вулканологии Академии наук приехали на Камчатку в середине пятидесятых. Перед ними была поставлена задача найти источники подземного тепла, получить пар и построить первую в Союзе геотермальную станцию. Работы велись в долине реки Паратунка, где было обнаружено несколько десятков термальных источников. Температура воды на выходе составляла 35 - 45°С, а с помощью скважин удалось добраться до пластов с водой более 90 градусов. В 1966 году опытно-промышленная Паратунская ГеоЭС дала первый ток.

Однако самым крупным на Камчатке оказалось Мутновское геотермальное месторождение. Оно находится в 130 км от Петропавловска-Камчатского. В 2000 - 2001 годах там были запущены первые две турбины по 25 МВт. В прошлом году мощность станции была увеличена на 100 МВт. А в 2005-м планируется ввод третьей очереди еще в 100 МВт. Таким образом, к концу этого года общая мощность электростанций Камчатской энергосистемы составит около 750 МВт, из которых треть будет получена от энергии Земли.

Цикл Калины
Процесс получения земной энергии внешне выглядит несложным: бурится скважина глубиной до 3500 метров, по ней поднимается вода, нагретая до 260 градусов, полученный водяной пар вращает турбину. Затем охлажденная вода возвращается под землю, где вновь нагревается. Основная проблема, с которой сталкивается геотермальная энергетика, состоит в том, что бурение стоит значительных средств. Не всегда достигается и необходимая температура водяного пара для вращения турбин. Решение этой технической проблемы было найдено в свое время в СССР. На Западе оно известно под названием "метод Калины". Как пишет германский еженедельник VDI-nachrichten, этот метод был изобретен советским инженером из Одессы Александром Калиной, который эмигрировал в 1970-е годы в США. Бывший наш соотечественник занимался разработкой систем для использования тепла, получаемого от промышленных сточных вод. В Калифорнии Калина основал фирму Exergy и защитил свое изобретение патентами. В 1993-м его разработку купил концерн General Electric. Сегодня метод реализован на геотермальных установках в США и двух установках в Японии и в Исландии. Геотермальные электростанции, созданные по принципу "цикла Калины", основаны на двухконтурной, или бинарной схеме. Они могут работать на воде с более низкой температурой - около 90°С. Извлекать ее можно с небольших глубин, что удешевляет процесс бурения. Горячая вода передает свою энергию другой теплопроводной жидкости - в частности, водно-аммиачной смеси. Вместо аммиака может применяться фреон, изобутан, толуол или изопентан. Компоненты смеси имеют разные критические температуры. Равновесное состояние между жидкой и газообразной фазами у них наступает в разное время. Это позволяет управлять переносом тепла при испарении и конденсации. По мнению специалистов Siemens, на которых ссылается издание VDI-nachrichten, "цикл Калины" оказался намного эффективнее других конкурирующих решений.

Бизнес на экологии
Немцы дольше других европейских народов игнорировали этот вид альтернативной энергии, предпочитая ему солнечную или ветровую. Но в прошлом году в Германии к энергетической сети в городе Нойштадт-Глеве была подключена первая геотермальная электростанция. А под Мюнхеном уже строится следующая станция мощностью в 3, 7 МВт, которая вступит в строй в 2006 году. В отличие от других видов энергетики геотермальную нельзя сводить только к производству электричества. Она вполне пригодна и для бытовых целей. Многие мелкие и средние инженерные фирмы в Европе стали специализироваться на бурении и производстве оборудования для использования подземного тепла в "домашних" условиях. Они предлагают свои решения фермерским хозяйствам и небольшим поселкам. Дело в том, что для отопления индивидуального дома при помощи современных технологий достаточно воды, нагретой даже до 12°С. Под индивидуальными домами устанавливаются теплообменники, которые состоят из труб с циркулирующим теплоносителем, теплового насоса и накопителя тепла. В Германии уже 24 установки, работающие по этому принципу, отапливают поселки. А более 50 фирм из Германии, Австрии и Швейцарии объединились в ассоциацию, продвигающую идею использования геотермальной энергии в бытовых целях.

Олег Никифоров
"Компания"