Как известно, запасы земного тепла практически неисчерпаемы. Мощность всего одного процента теплового потока, идущего из недр Земли к ее поверхности эквивалентна мощности нескольких сотен электростанций. Однако, плотность этого потока слишком мала и составляет 0,1 Вт/м². То есть, внутреннее тепло Земли сильно рассеивается и собирать его с поверхности не представляется возможным. Для сравнения: плотность солнечного излучения составляет в среднем 1,367 КВт/м².
Среднегодовая температура земной поверхности равна +15°C. С глубиной температура земной коры увеличивается. Геотермический градиент определяет величину повышения температуры на каждые сто метров глубины. За среднее принято значение градиента +3°C. Геотермический градиент может быть разным в различных геологических разрезах.
Извлекать тепло из земных недр и затем использовать его в хозяйстве можно с помощью теплоносителя. Таким естественным теплоносителем является вода.
Подземные горячие источники были известны очень давно. В них купались еще при палеолите. Природная горячая вода использовалась для обогрева жилищ со времен Римской империи.
На идее использования тепла земных недр для получения электроэнергии и основана геотермальная энергетика, которая начала развиваться с начала двадцатого века.
Эффективность и рентабельность производства электроэнергии зависит от источника теплоносителя. Наибольшую выгоду от глубинного тепла можно получать из природных горячих источников.
Местность Лардерелло в центральной Италии известна с древних времен своими горячими источниками и выбросами пара. Температура пара в некоторых источниках достигает 202 °C.
Вода в районе Лардерелло находится в неглубоком (около 1000 м) карбонатном резервуаре, где превращается в пар и скапливается под куполом из непроницаемых сланцев и глины. Пар выходит через разломы в куполе и пробивается наружу. В 1904 году предприниматель П. Д. Конти (Piero Ginori Conti) сконструировал и испытал первый в мире гидротермальный электрогенератор, работающий на энергии пара Лардерелло.
В настоящее время в Лардерелло вырабатывают 10% всей мировой геотермальной электроэнергии. До 1958 года это было единственное в мире промышленное производство геотермальной электроэнергии, пока в Новой Зеландии не построили геотермальную электростанцию (ГеоТЭС) в Вайракеи.
В результате многолетней промышленной эксплуатации пластовое давление пара в неглубоком резервуаре Лардерелло снизилось до 2,5 – 0,7 МПа.
В 1980-х годах было доказано существование на глубинах более 3000 метров продуктивных горизонтов в метаморфическом фундаменте, подстилающем карбонатный резервуар. Глубинный резервуар Лардерелло-Травале/Радикондоли представляет собой огромную гидротермальную систему, площадью 400 км2 с температурой +300-350 °C и давлением 4 – 7 МПа.
И сегодня разработка уникальных геотермальных месторождений Лардерелло продолжается.
Если температура пласта недостаточна для преобразования воды в пар, используют схему со вторичным рабочим агентом. В бинарной гидротермальной электростанции по первичному контуру движется горячая вода природного источника. В теплообменнике она разогревает и испаряет вторичный рабочий агент, который и вращает турбину генератора. Рабочим агентом вторичного контура обычно является фреон - флюид с низкой температурой парообразования. Бинарными схемами обустраивают гидротермальные месторождения с температурой воды ниже +100 °C.
На работающей с 1966 года Паужетской ГеоЭС на Камчатке в 2012 году ввели в эксплуатацию дополнительный блок, работающий в бинарном цикле: первичный контур запитан сбросным конденсатом (горячей водой), рабочим агентом вторичного контура является фреон R134A.
Понятно, что наиболее рентабельной является технология, использующая естественные ресурсы. Устройство гидротермальных систем возможно при наличии в недрах горячих водонасыщенных пластов. Однако, гидротермальных источников на Земле не много. Из всех пригодных для эксплуатации геотермальных ресурсов гидротермальные составляют менее одного процента. Поэтому можно сказать, что такие месторождения как Лардерелло – подарки природы.
Если подходящих горячих источников не обнаруживается, в недрах создают искусственные резервуары.
В данном случае подземный резервуар – это не полость, искусственно образованная под землей, а пласт-коллектор с хорошей проницаемостью. Для увеличения проницаемости высокотемпературного пласта производят его гидроразрыв. Гидравлический разрыв (fracking) осуществляют закачкой в целевой пласт жидкости под высоким давлением. Обычно используют воду с размешанным в ней песком. Песчинки удерживаются в воде во взвешенном состоянии с помощью загустителя. Когда давление жидкости, нагнетаемой в пласт превышает прочность его пород, пласт растрескивается. Происходит гидроразрыв пласта. Песчинки, попавшие в образовавшиеся трещины, не дают им сомкнуться после сброса давления. В результате гидроразрыва образуется высокопроницаемый пласт-коллектор.
Для использования такого искусственно созданного пластового резервуара создают петротермальную циркуляционную систему.
Через нагнетательную скважину в пласт-коллектор закачивают холодную воду. В высокотемпературном горизонте вода превращается в пар. Пар под давлением устремляется в добывающую скважину и далее используется в качестве рабочего агента. После теплопередачи конденсат возвращают в пласт.
Для разобщения затрубного пространства, предохранения обсадной колонны от теплового воздействия пара эксплуатационную скважину оборудуют подвеской насосно-компрессорных труб (НКТ) и термостойким пакером. Также пакер уменьшает тепловые потери. На устье скважины устанавливают паровую фонтанную арматуру.
О конструкции паровой арматуры и паропроводах подробнее можно почитать в статье: «Каражанбас.ПТВ.»
Такая петротермальная система может работать практически в любом месте.
Геотермальных ресурсов более чем достаточно для удовлетворения энергетических потребностей человечества. Но большую часть добычи тепла осуществляют в районах у границ тектонических плит. Геологически активные области разломов, как правило, являются источниками землетрясений и вулканической активности.
В 2024 году в Южном Китае на рекордную глубину 5200 метров была пробурена геотермальная скважина: «Фушэньжэ-1» (Скважина-1). Температура вскрытого гранитного горизонта составила +188 °C. После успешного бурения был произведен гидроразрыв пласта и обустроена петротермальная система.
В отличие от ветряных и солнечных электростанций ГеоТЭС вырабатывает электроэнергию в непрерывном, независящим от погодных условий цикле.
В последние десятилетия предыдущего века стоимость производства геотермальной энергии уменьшилась на 25%. Технологии совершенствуются и затраты продолжаю снижаться.
Далее читаем следующую статью: «Бурение на депрессии.»