Энергию, получаемую из природного тепла Земли, человечество целенаправленно использует уже на протяжении двух столетий.
Тепленькая пошла
Проще всего получить доступ к этим тепловым потокам вокруг краев континентальных плит – здесь самые тонкие слои земной коры. Добраться до подземных источников тепла можно, пробурив скважины как к подземным водам, так и к сухим высокотемпературным породам, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. А в вулканических районах циркулирующие подземные воды, которые перегреваются выше температуры кипения на относительно небольших глубинах, могут самостоятельно по трещинам подниматься к поверхности, проявляя себя в виде гейзеров. Главная задача человека – эффективно распорядиться этим ресурсом.
Интересные факты
температура в центре Земли
в год составляет тепловой поток из недр через поверхность – это в 17 раз больше, чем выработка всей мировой энергетики
мощность внутри Земли за счет деления урана, тория и калия‑40
Фундаментальные исследования в сфере геотермальной энергетики начал проводить ученый Франсуа де Лардерель в первой половине XIX века. В Италии, в регионе Тоскана, который известен своими геотермальными источниками, ученый внедрил технологию сбора выделяемого пара, направляя его в котлы, использующиеся для извлечения борной кислоты из шлама. В 1911 году здесь была построена первая в мире геотермальная электростанция, которая эксплуатируется до сих пор. До 1958 года промышленное производство геотермальной электроэнергии было только в Италии. Во второй половине XX века технологию стали осваивать несколько государств, в том числе и СССР, где на юге Камчатки начала выдавать электроэнергию Паужетская ГеоЭС.
Станция «на вулкане»
Идея строительства первой в стране геотермальной электростанции принадлежала Александру Гавронскому, который в 1940-е годы работал главным инженером-электриком проектно-сметной конторы «Главсахалинрыбпрома» в Южно-Сахалинске. В 1948 году он подготовил научный доклад «Использование подземных энергоносителей», в котором предложил построить на Курильских островах и Камчатке «вулканические государственные электрические станции». Документ был направлен в различные ведомства: Академию наук СССР, несколько министерств и якобы даже в Кремль.
Идея вызвала неоднозначные оценки в научной среде – от полного неприятия до искренней заинтересованности. Последнюю проявил академик Михаил Кирпичев, который так охарактеризовал инициативу Александра Гавронского: «Наша страна не настолько богата энергоресурсами, чтобы пренебрегать залежами местной энергии, таящимися в горных районах, в виде подземного натурального пара». Впоследствии академик всячески содействовал реализации задуманного.
В 1956 году по решению АН СССР на Камчатку и Курилы была направлена экспедиция под руководством академика Михаила Лаврентьева с целью «ознакомления с геологической обстановкой месторождений пара и горячих вод в районе Курило-Камчатской дуги и осмотра Паужетских горячих источников на юге Камчатки». Ее участники сделали вывод о необходимости проведения разведочно-буровых работ. Год спустя на Паужетском месторождении было выполнено бурение двух роторных скважин глубиной 500 метров каждая. В итоге ученые смогли получить фактический материал, подкреплявший теоретические выводы о том, что ресурсы месторождения достаточны, чтобы обеспечить большую энергетическую мощность ГеоЭС – порядка 50 МВт.
Однако собственных фундаментальных наработок и опыта строительства таких станций в СССР, как, впрочем, и практически во всех других странах, не было. И тогда ученые Института вулканологии АН СССР отправились в двухмесячную командировку в Новую Зеландию, где вводилась в эксплуатацию первая в этой стране ГеоЭС. Впоследствии новозеландский опыт широко использовался при проектировании и запуске нашей станции.
Для принятия окончательного решения о строительстве недоставало одной детали. Необходимо было определиться, кто будет потребителем вырабатываемой энергии – на малозаселенных территориях она в предполагаемых объемах не была востребована. Задача решилась с запуском крупнейшего в мире Ильинского месторождения пемз.
Было – стало
Первая очередь Паужетской геотермальной электростанции введена в эксплуатацию в 1966 году, ее установленная мощность составляла 5 МВт. В основу проекта была заложена прямая схема использования пара – из подземных источников он напрямую подается в турбины. Изначально ГеоЭС оборудовали двумя турбоагрегатами с конденсационными турбинами и турбогенераторами мощностью 2,5 МВт каждый.
В те годы на юге Камчатки было запущено несколько производств, включая многократное увеличение мощностей крупного рыбоперерабатывающего комплекса «Озерский», региону требовалась дополнительная электроэнергия. Получить ее предполагалось за счет расширения Паужетской ГеоЭС. Например, в 1971 году было принято решение о бурении 30–40 скважин на Паужетке для получения дополнительных объемов теплоносителя. В 1980 году пущен турбоагрегат №3 мощностью 6 МВт.
Уже в XXI веке началась модернизация станции: в 2006 году турбоагрегат №1 был заменен на более мощный – 6 МВт, а через три года турбоагрегат №2 был выведен из эксплуатации. Сегодня установленная мощность ГеоЭС составляет 12 МВт, а располагаемая мощность – 5,7 МВт – лимитируется количеством поставляемого теплоносителя.
Паужетская ГеоЭС вместе с Мутновской ГеоЭС‑1, Верхне-Мутновской ГеоЭС, а также Менделеевской ГеоТЭС на Сахалине является одной из четырех геотермальных станций, действующих в России.
Геотермальное будущее
Самый мощный геотермальный комплекс The Geysers расположен в Калифорнии, США.Около 40% энергии, потребляемой на Камчатке, вырабатывается на геотермальных источниках. Для России этот регион является наиболее оптимальным для развития геотермальной энергетики. По данным Института вулканологии Дальневосточного отделения РАН, геотермальные ресурсы Камчатского края оцениваются в 5000 МВт. Главный сдерживающий фактор их освоения – отсутствие достаточного количества потребителей.
Тем временем за рубежом происходит активное развитие геотермальной энергетики – свои ГеоЭС имеют несколько десятков государств, причем большинство станций было построено в последнее десятилетие. В частности, мировым лидером в производстве электроэнергии с помощью геотермальных источников является США. Например, в Калифорнии расположен самый мощный геотермальный энергокомплекс The Geysers. Он занимает площадь 78 км2, состоит из 22 гидротермальных станций и 350 скважин с общей установленной мощностью 1517 МВт (рабочая мощность – 955 МВт). Геотермальная электроэнергетика как один из альтернативных источников энергии в США имеет особую правительственную поддержку.
В число мировых лидеров по развитию геотермальной энергетики входят также Индонезия, Филиппины, Новая Зеландия, Кения, Мексика, Исландия, Япония, Сальвадор. Новые ГеоЭС строятся в Уганде, Танзании, Эфиопии и многих других странах. С 2010 по 2020 год в новые проекты геотермальной энергетики в мире было инвестировано 40 млрд долларов. По прогнозу компании Rystad Energy, глобальные мощности геотермальных электростанций к 2025 году вырастут до 24 ГВт.
При подготовке публикации была использована статья В. И. Белоусова, Э. Эрлиха «История геотермальной энергетики Камчатки».