Геотермальная энергия может питать человечество тысячи лет: почему она до сих пор не используется повсеместно?

Земная кора содержит огромный запас тепловой энергии. Главные источники этого тепла — остаточные процессы, сопровождавшие формирование планеты около 4,5 миллиарда лет назад, и постоянный распад радиоактивных изотопов урана, тория и калия в мантии и коре.

По оценкам исследователей, количества тепла в верхних 10 километрах земной коры достаточно, чтобы обеспечивать потребности человечества в энергии течение нескольких тысяч лет.

В отличие от ветровой и солнечной генерации, геотермальные станции не зависят от времени суток, сезона и погодных условий. Коэффициент использования установленной мощности у геотермальных станций превышает 90%, что делает их надежным источником базовой электроэнергии. При этом работа таких станций не сопровождается выбросами углекислого газа в атмосферу.

Однако сегодня геотермальная энергетика обеспечивает менее 1% от мирового производства электричества. Причина заключается в географических и технологических ограничениях, которые долгое время не позволяли бурить скважины за пределами отдельных зон.

Ограничения традиционной геотермальной энергетики

В среднем температура земной коры растет примерно на 30 °C с каждым километром глубины. Этот показатель называют геотермальным градиентом. В некоторых местах градиент значительно выше из-за близости магматических очагов к поверхности.

Традиционные геотермальные электростанции работают по гидротермальной схеме. Для их работы необходимы три фактора одновременно:

1. Высокая температура породы на небольшой глубине (обычно от 500 метров до 2 километров);
2. Наличие подземных вод в виде естественного водоносного слоя;
3. Высокая проницаемость пород — наличие естественных пор и трещин, через которые вода может свободно циркулировать.

Холодная вода опускается в глубокие слои, нагревается от контакта с горячей породой и под собственным давлением или с помощью насосов поднимается на поверхность в виде пара или кипятка. Этот пар вращает лопатки турбины, которая вырабатывает электричество. Отработанная и остывшая вода закачивается обратно под землю, образуя замкнутый цикл.

Сочетание всех трех условий встречается редко. Оно приурочено к границам тектонических плит и зонам высокой вулканической активности. По этой причине традиционная геотермальная энергетика развита лишь в отдельных странах — например, в Исландии, Кении, Новой Зеландии, Филиппинах и Индонезии.

На большей части территории планеты на глубине от 2 до 5 километров порода прогрета до температур 150-250 °C, однако подземные воды там отсутствуют, а сама порода представляет собой монолитный гранит или базальт с нулевой проницаемостью.

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS)

Чтобы использовать тепло сухих и плотных пород, инженеры разработали технологию усовершенствованных геотермальных систем — EGS (Enhanced Geothermal Systems).

Смысл технологии заключается в искусственном создании проницаемости там, где ее нет. Для этого применяют метод гидравлического разрыва породы.

Проблема наведенной сейсмичности

Главным техническим и экологическим препятствием для развития EGS-систем стала наведенная сейсмичность — землетрясения, вызванные деятельностью человека.

В толще земной коры постоянно присутствуют естественные тектонические напряжения. Разломы пород удерживаются от смещения силой трения. Когда инженеры закачивают воду в глубокую скважину под давлением в сотни атмосфер, эта вода проникает в существующие микротрещины и разломы.

Давление жидкости раздвигает стенки разлома и снижает силу трения, которая удерживала блоки породы в неподвижном состоянии. Если разлом уже находился в напряженном состоянии, происходит резкое смещение пластов, вызывающее землетрясение.

В 2017 году в городе Пхохан в Южной Корее закачка воды в EGS-скважину на глубину 4,3 километра вызвала землетрясение магнитудой 5,5. В результате пострадали свыше 80 человек, а сотни зданий получили повреждения. Расследование показало, что гидравлический разрыв активировал ранее неизвестный тектонический разлом. Проект был полностью закрыт.

Термическое растрескивание как безопасная альтернатива

Чтобы избежать резких подвижек пород, компании разрабатывают методы безнапорного растрескивания.

В Исландии применяют метод термического шока. В горячую сухую породу подают холодную воду с низкой скоростью и без создания экстремального давления. Из-за резкого перепада температур поверхностный слой породы быстро остывает и сжимается. В результате внутреннего напряжения в граните образуется сетка мелких трещин. Этот процесс занимает несколько месяцев, но исключает сильные сейсмические толчки.

Замкнутые геотермальные системы (AGS)

Второй способ исключить сейсмические риски и утечки жидкости — полностью изолировать теплоноситель от горной породы. Такие установки называют AGS (Advanced Geothermal Systems) или системами с замкнутым контуром.

В системе AGS жидкость циркулирует внутри герметичного стального трубопровода, уложенного на большой глубине. Передача тепла от раскаленной породы к теплоносителю происходит исключительно через металлические стенки труб за счет теплопроводности.

Преимущества замкнутых систем:

• Полное отсутствие сейсмических рисков, так как давление на окружающую породу не оказываются и гидроразрыв не применяется;
• Исключение потерь воды, которая в открытых системах уходит в глубь пласта через неучтенные трещины;
• Отсутствие контакта с химически агрессивными подземными солями, что предотвращает коррозию и образование накипи внутри оборудования;
• Возможность использования специальных теплоносителей вместо обычной воды.

Использование сверхкритического углекислого газа

В замкнутых контурах вместо воды можно использовать углекислый газ (CO₂), переведенный в сверхкритическое состояние. Это состояние достигается, когда газ нагревают выше 31 °C и сжимают под давлением более 7,38 МПа (около 73 атмосфер).

Сверхкритический CO₂ обладает высокой плотностью (как у жидкости), но при этом имеет очень низкую вязкость (как у газа). Это позволяет ему легко перемещаться по трубам с минимальным сопротивлением и переносить больше тепловой энергии на единицу объема, чем обычная вода. Первую демонстрационную геотермальную установку на сверхкритическом CO₂ запустила в 2024 году китайская корпорация China Huaneng Group.

Главный минус замкнутых систем

Основное ограничение AGS-систем связано с низкой теплопроводностью сухих горных пород. Гранит и базальт плохо проводят тепло. Когда теплоноситель внутри трубы забирает энергию из прилегающего слоя породы, этот слой остывает. Поскольку тепло из более дальних слоев массива поступает медленно, производительность скважины со временем снижается.

Чтобы компенсировать низкую теплопроводность, инженерам приходится бурить длинные сети горизонтальных каналов на глубине нескольких километров, что существенно увеличивает стоимость строительства.

Сверхкритическая геотермальная энергетика

Чтобы кардинально повысить мощность геотермальных станций, инженеры стремятся бурить скважины на глубину от 5 до 10 километров. На этих глубинах температура превышает 374 °C, а давление породы и вышележащих слоев превышает 22 МПа (217 атмосфер).

При таких значениях температуры и давления вода переходит в сверхкритическое состояние. В этом состоянии исчезает граница между жидкой фазой и паром.

Сверхкритическая вода обладает плотностью энергии, которая в 5-10 раз превышает показатели обычного геотермального пара. Одна скважина, добывающая сверхкритический флюид, может производить столько же электричества, сколько 8-10 традиционных геотермальных скважин.

Проблема бурения глубоких скважин и бесконтактные технологии

Бурение на глубину более 5 километров сталкивается с физическими ограничениями механических буровых установок.

При погружении на каждые 1000 метров температура породы возрастает, а твердость гранита и базальта остается высокой. Традиционные буровые долота с резцами из карбида вольфрама или технических алмазов изнашиваются в таких условиях за несколько часов работы.

Основное время при глубоком бурении тратится не на разрушение породы, а на спуско-подъемные операции. Чтобы заменить изношенное долото на глубине 7 километров, инженеры должны поднять на поверхность всю колонну стальных бурильных труб, скрученных из пятисот отдельных секций, заменить головку и спустить колонну обратно. Это требует много времени и делает бурение экономически нецелесообразным.

Бурение с помощью электромагнитного излучения

Для решения этой проблемы американская компания Quaise Energy разрабатывает метод бесконтактного разрушения пород с помощью гиротронов.

Гиротрон — это устройство, генерирующее высокочастотное электромагнитное излучение миллиметрового диапазона высокой мощности.

1. Верхние слои почвы и мягких пород пробиваются обычным механическим буром.
2. Когда ствол скважины доходит до твердого гранита, в работу включается гиротрон.
3. Мощный луч сфокусированного излучения направляется вниз по стволу скважины.
4. Излучение разогревает горную породу до температуры свыше 1000 °C.
5. Порода растрескивается, плавится и частично превращается в мелкий порошок и стекловидный расплав.
6. В скважину подается сжатый азот, который выдувает продукты разрушения на поверхность.

Поскольку механический режущий инструмент отсутствует, износ оборудования на дне скважины исключается. Это позволяет поддерживать высокую скорость проходки независимо от глубины.

Аналогичные бесконтактные методы разрабатывают и другие компании: например, словацкая GA Drilling использует для разрушения пород высокотемпературную плазменную дугу.

Инженерные препятствия глубокого бурения

Несмотря на перспективы бесконтактного бурения, остаются нерешенные задачи:

1. Пластическая деформация пород. На глубине 8-10 километров давление вышележащих пластов превышает 2000 атмосфер. При таких температурах и давлениях гранит теряет хрупкость и начинает медленно выдавливаться внутрь пробуренного отверстия. Стенки скважины могут схлопнуться до того, как их успеют закрепить стальной обсадной трубой и цементом.
2. Температурное расширение материалов. При нагреве до 400-500 °C стальные трубы, которыми укрепляют стены скважины, увеличиваются в длине на десятки метров. Это приводит к возникновению продольных напряжений, изгибу и разрыву трубопроводов.

Опыт Исландии и экономический баланс

Исландия выступает главным практическим полигоном для испытания новых геотермальных технологий. Из-за особенностей геологического строения сверхкритические параметры воды достигаются здесь на меньшей глубине, чем в среднем по планете.

В рамках проекта Iceland Deep Drilling Project (IDDP) на полуострове Рейкьянес была пробурена скважина IDDP-2 глубиной 4,7 километра. На дне скважины были зафиксированы температура 426 °C и давление 34 МПа, что подтвердило наличие сверхкритического флюида.

Для защиты скважины от разрушения при температурном расширении исландские инженеры спроектировали гибкие телескопические соединения обсадных труб, которые компенсируют изменение длины металла при нагреве и остывании.

Основное финансовое препятствие для геотермальной энергетики — высокая доля начальных капитальных затрат. Бурение скважин составляет до 70% от общей стоимости строительства станции. Инвестор должен вложить основные средства до того, как станция начнет вырабатывать первое электричество и подтвердит коммерческую продуктивность подземного резервуара.

Однако после завершения строительства и выхода на проектную мощность геотермальная станция требует минимальных эксплуатационных расходов, так как не нуждается в закупке топлива. Срок службы правильно спроектированной и укрепленной глубокой скважины превышает 100 лет.

Итоговый сравнительный анализ технологий

Переход от традиционных гидротермальных станций к глубоким геотермальным системам означает смещение фокуса от поиска редких геологических аномалий к стандартным инженерным решениям. Развитие технологий бесконтактного бурения и материалов, устойчивых к экстремальным температурам, позволяет рассматривать тепловую энергию Земли как доступный базовый источник энергии в любой точке земного шара.