Тепло родной земли

От высокой науки к конкретным разработкам Принципиально новым подходом к вопросу промышленного и гражданского теплоснабжения может стать внедрение новой технологии получения тепловой энергии, позволяющей использовать низкотемпературные геотермальные ресурсы земных недр. Теоретические и экспериментальные исследования в этой области велись российскими учеными на протяжении более 20 лет. Была подтверждена практическая возможность извлекать тепловую энергию из пород кристаллического фундамента путем циркуляции воды между двумя и более скважинами, которые соединяются на глубине естественными или вновь образованными трещинами, представляющими искусственно созданный (с помощью гидравлической стимуляции) геотермальный коллектор. Коллектив ученых Всероссийского научно-исследовательского института методики и техники разведки (В�ТР, С.-Петербург) подготовил новую технологию к промышленному применению. В сотрудничестве со Всероссийским геологическим институтом (ВСЕГЕ�, С.-Петербург) и Санкт-Петербургским государственным горным институтом, под эгидой Министерства природных ресурсов РФ, создан проект, получивший название «Санкт-Петербургская демонстрационная модель геотермальной циркуляционной системы с улучшенными характеристиками искусственного коллектора». Для промышленного применения новой технологии на Северо-Западе и в других регионах России, а также странах СНГ и дальнего зарубежья существуют реальные предпосылки. Возможности освоения термальных ресурсов земли с помощью системы данной конструкции значительно меньше ограничены гидрогеологическими и геотермическими условиями в отличие от разработанных на Западе. Кроме того, она является конкурентоспособной при сравнении с традиционными источниками энергоснабжения. Себестоимость энергии, получаемой по новой технологии в промышленной циркуляционной системе, составит приблизительно $1 за 1 ГДж. С учетом того, что среднемировая стоимость 1 ГДж тепловой энергии, полученной в обычных котельных и ТЭЦ, равна $5, экономический выигрыш от применения геотермальной технологии бесспорен. Несомненным преимуществом является и тот факт, что по международной классификации низкотемпературные геотермальные ресурсы относятся к числу возобновляемых источников энергии. Впрочем, это очевидно. Общая стоимость промышленной системы с искусственным коллектором на глубине 3 000 м — $6 млн., стоимость демонстрационной модели — $2 млн. Капитальные затраты на создание промышленной системы должны окупиться в течение 3 лет. Занимательная геология Общеизвестно, континенты покоятся на базальтово-гранитных плитах, которые представляют собой кристаллизовавшуюся магму. Верхний геологический слой состоит из осадочных пород — это т. н. «осадочный чехол», теплопроводные свойства которого достаточно низкие. В районе Санкт-Петербурга осадочный слой уходит на глубину до 300 метров от поверхности земли. Глубже расположены граниты, гранитогнейсовые породы, составляющие собственно тектонический фундамент. К слову — плита, которая залегает под Северо-Западным регионом и, соответственно, городом на Неве, является одной из самых больших на всем Земном шаре. Граниты, как магматическая порода, обладают достаточно высокой теплопроводностью. �х слои, подходящие к нижней границе осадочного чехла, температура которого близка к +15 оС, подогреваются раскаленной магмой, скрытой в земных недрах. По мере углубления в тектонический фундамент температура горных пород возрастает, и для характеристики ее увеличения вводится понятие «температурный градиент». Для наших, северных, широт региональный температурный градиент по породам фундамента не превышает 0,012 оС/м (т. е. увеличение температуры составляет 12 оС на каждые 1 000 м глубины). По результатам комплексных исследований специалисты ВСЕГЕ� установили, что на юго-западе Санкт-Петербурга и Ленинградской области расположена так называемая Санкт-Петербургская геотермальная аномалия, площадь которой достигает 13 000 кв. км. Прогнозируемые характеристики аномалии, источники и происхождение которой не вполне изучены, были подтверждены измерениями в разведочной скважине, пробуренной в 1994—96 гг. в южной части города, в районе Пулково. Температура на глубине 1 008 м в породах кристаллического фундамента составила около +30 оС, что соответствует температурному градиенту 0,019 оС/м (то есть температура здесь возрастает на 19 оС на каждые 1 000 м глубины). Таким образом, на глубине порядка 3 000 м температура гранитных пород в аномальной зоне достигает почти +72 оС вместо обычных +50 оС. Санкт-Петербургская геотермальная аномалия охватывает южные окраины города и простирается до Средней Рогатки и г. Стрельны — к северу, к югу — до г. Гатчины и, далее, до ст. Сиверская, к востоку — до ст. Александровская и на запад — почти до г. Ломоносова. Центр аномалии, по иронии судьбы, с точностью до 100 метров расположен под зданием одной из котельных в г. Красное Село. Несмотря на невысокий температурный потенциал разведанных геотермальных ресурсов, по мнению ученых В�ТР, Министерства природных ресурсов РФ и Санкт-Петербургского горного института, они должны быть отнесены к разряду потенциально перспективных для прямого использования, поскольку в регионе существует большое количество потребителей низкотемпературного тепла. Первая, санкт-петербургская... Технология использования температуры подземных пород заключается в следующем. На выбранном участке бурится одна скважина большого диаметра для подачи воды под землю, и на определенном расстоянии от нее — не менее 500 м — располагается одна или несколько скважин для забора воды с глубины. Под высоким давлением в скважины закачивается вода, и, вследствие повышения давления, в породе между скважинами образуется проницаемая зона, трещиноватости. Полученные таким образом гидроразрывы в слоях породы образуют искусственный геотермальный коллектор. В процессе эксплуатации системы через проницаемую среду коллектора по замкнутой схеме прокачивается вода, которая играет роль теплоносителя. В подземных слоях вода нагревается и через добывающую скважину поднимается на поверхность. Для ее подъема используется эрлифтная установка, подающая в скважину сжатый воздух, который как бы выталкивает воду. После фильтрационной очистки вода направляется в теплообменник, где происходит отдача тепловой энергии. Затем вода вновь поступает в подающую скважину. Несмотря на то что в мировой практике существует обширный опыт строительства аналогичных циркуляционных систем, ни одна из них по продуктивности не смогла конкурировать с обычными источниками энергоснабжения. В качестве примера можно упомянуть ряд проектов: «Фентон Хилл» (США) — тепловая производительность 5 МВт, «Хиджиори» (Япония) — 7 МВт, «Розманувес» (Великобритания) — 3 МВт, «Соултс» (Франция) — 11 МВт. �х основным недостатком является низкая производительность по массе получаемого теплоносителя (нагретой воды), что не обеспечивает необходимой тепловой мощности системы. В соответствии с результатами расчетов экономико-математического моделирования, выполненных Санкт-Петербургским горным институтом, минимальная тепловая мощность циркуляционной системы, конкурентоспособной с традиционными способами получения энергии, должна составлять примерно 50 МВт. Задачей, с которой успешно справились петербургские ученые, стала разработка технологии, эффективность которой в 5—10 раз превысит уровень, достигнутый на Западе. Как отметил к. т. н. �ван Стефанович Афанасьев, директор В�ТР, проект призван продемонстрировать преимущества новой геотермальной циркуляционной системы, которая после испытаний будет полностью готова к широкому внедрению в промышленность и энергетическую индустрию нашей страны. Одним из основных параметров, определяющих ее производительность, является объем циркулирующей жидкости. Если за рубежом достижением стал показатель расхода воды 20 л/с, то в отечественной разработке объем прокачиваемой через подземный геотермальный коллектор воды составит, как минимум, 100 л/с. Для этой цели будут применены специальные методики по снижению фильтрационного сопротивления искусственного коллектора путем физико-химической обработки зоны трещиноватости. Увеличение расхода циркулирующей жидкости позволит довести тепловую производительность системы до уровня, обеспечивающего ее промышленное применение. Согласно проекту, потребление энергии на циркуляцию жидкости в тепловом эквиваленте не должно превышать 10% от полной тепловой мощности системы, а утечка воды в циркуляционном контуре не должны превышать 10% от массового расхода теплоносителя. Промышленная система должна обеспечивать устойчивое производство тепловой энергии в течение более 20 лет. Проект практической доработки новой технологии извлечения тепла Земли предполагается реализовать в 2 этапа: I стадия — сооружение действующей демонстрационной модели геотермальной циркуляционной системы с улучшенными характеристиками искусственного коллектора. II стадия — трансформация модели в промышленную теплоснабжающую систему с конкурентоспособным уровнем затрат на единицу производимой энергии. Демонстрационная модель начнет действовать вблизи разведочно-исследовательской скважины в районе Пулково. Она будет представлена двумя новыми скважинами, пробуренными в гранитогнейсовых породах кристаллического фундамента до глубины 1 000 м, и искусственным геотермальным коллектором, созданным путем гидравлической стимуляции пород. Одной из целей проекта станет проведение серии полевых испытаний способов и режимов физико-химической обработки трещин с учетом структурно-тектонических, геомеханических и геохимических характеристик создаваемого коллектора. Кроме того, необходима отработка технологических параметров системы, влияющих на ее экономическую эффективность, таких как: диаметр скважин, расстояние между ними, объем и геометрия искусственного геотермального коллектора, плотность распределения трещин и ряд других характеристик. Затем предполагается углубить скважины до 3 000 м и произвести гидравлическую стимуляцию более глубоких горизонтов кристаллических пород путем их гидроразрыва для создания искусственного коллектора необходимого объема, который будет подвергнут физико-химической обработке, выбранной на I стадии. После решения проблемы, связанной со снижением фильтрационного сопротивления трещин геотермального коллектора и доведения объема прокачиваемой через него воды до 100—150 л/c, себестоимость энергии, получаемой в циркуляционной системе, составит приблизительно $1 за 1 ГДж. Экономика городского хозяйства В случае успешного выполнения данного проекта для одного лишь Северо-Западного региона, учитывая его колоссальные потребности в низкотемпературном тепле, строительство десятков подобных систем станет весомым вкладом в решение топливно-энергетических проблем. Первая промышленная санкт-петербургская система может быть использована для теплоснабжения теплично-парникового комплекса АО «Лето», на территории которого планируется ее сооружение. Кроме того, в этом районе города есть значительное количество потребителей тепловой энергии — заводы компании «Пепси-кола», комплекс сооружений аэропорта «Пулково», предприятия промышленной зоны и ряд других объектов. Петербург расположен в северных широтах, и в осенне-зимний период отопительного сезона вода, поступающая в котельные и ТЭЦ (для нагрева до температуры рабочего теплоносителя, которая составляет 150/170 oС для крупных котельных и 70/95 oС — для малых), имеет достаточно низкую (в основном — ниже 0 oС) температуру. Естественно, чтобы поднять температуру сетевой воды до значений, установленных нормативами для систем теплоснабжения, требуется сжечь огромное количество топлива. Вот здесь и могут сыграть важную роль циркуляционные системы с искусственным геотермальным коллектором… Ежегодно город на Неве потребляет порядка 10 млрд. куб. м природного газа. Понижение зимней температуры только на один градус приводит к тому, что расход газа в Санкт-Петербурге увеличивается на 100 000 куб. м. Легко подсчитать, что в результате подачи воды, нагретой естественным теплом земных недр хотя бы до +70 oС и прошедшей фильтрационную очистку, на предприятия жилищно-коммунального и промышленного теплоснабжения, комплексы котельных, ТЭЦ можно добиться значительного снижения ежегодных затрат на приобретение топлива. С учетом того, что в Санкт-Петербург, а также города и населенные пункты многих административных районов Северо-Запада нефтегазовое топливо приходится доставлять из других, порой весьма далеких, регионов, экономический эффект от внедрения геотермальной энергетики может стать весьма ощутимым для краевого бюджета.