Тепло Земли и жар науки (перспективы геотермального теплоснабжения в Сибири)

В целом по миру геотермальную энергию с пользой для экономики используют более 60 стран. В не меньшем числе стран ведутся исследования и эксперименты по ее использованию. Геотермальные источники, например, покрывают треть потребности в энергии Исландии и составляют 27 процентов производства энергии на Филиппинах

От мира — к России и далее — к Сибири
(и к одному району Новосибирской области)

Реакция российской науки на эту ситуацию известна. На общем собрании РАН в 2018 году обсуждалась стратегия научно-технического развития России, в которой среди семи приоритетов в развитии науки была выделена тема перехода к экологически чистой ресурсосберегающей энергетике.Россия не входит в число лидеров по использованию возобновляемой энергетики (ветер, солнце и тепло Земли). В 2020 году её доля в энергобалансе страны составила не более 1 процента. Суммарная установленная мощность геотермальных электростанций мира в 2018 году превысила 13,3 ГВт. В России же мощность таких электростанций составляет 74 МВт, также менее одного процента.

Занимаются этим и в Иркутском научном центре СО РАН, где прорабатывается тема комплексного использования геотермальных источников, ветроустановок и фотоэлектрических преобразователей. Можно только восхищаться тем, что делают в таких условиях новосибирские геологи-энтузиасты из Сибирского НИИ геологии, геофизики и минерального сырья.

Много лет занимающийся проблемами геотермальной энергетики академик Сергей Владимирович Алексеенко (лауреат премии «Глобальная энергия») недавно выдвинул фантастическую идею — использовать для получения тепловой энергии нефтяные скважины выработанных месторождений. Но все усилия современных российских ученых выглядят крайне недостаточными на фоне прежней истории геотермальной энергетики в нашей стране.

В советское время, начиная с 1954 года, исследованиями и разработками в области геотермальной энергии занималось более 60 научных организаций. В ходе экспериментов было пробурено более 3000 геотермальных скважин глубиной до 5,5 км. Работы эти находились в компетенции Министерства газовой промышленности СССР, в подчинении которого работало специализированное НПО «Союзбургеотермия», было создано пять региональных управлений по использованию геотермальной энергии. С развалом СССР все эти работы были прекращены. Деградация отрасли продолжается. Об этом свидетельствует то, что мощности и объемы выработки электроэнергии на ГеоТЭС сокращаются.

Самым перспективным регионом России для внедрения геотермальной энергетики всегда считалась Камчатка. Выбор этого региона определялся географами, геофизиками, физиками, но не экономистами. Они бы спросили: «Зачем вкладываться в энергетику региона с низкой потребностью в энергии? Не лучше ли работать над использованием подземного тепла в Западной Сибири?».
Начну с цитаты книги по краеведению: «Термальные воды с температурой 35—38 градусов сосредоточены в Татарском, Усть-Таркском, Кыштовском, Северном, Венгеровском, Чановском, Куйбышевском, Барабинском районах Новосибирской области. Они находятся на глубинах до 1,5 тысячи метров и в области практически не используются». В двух селах Усть-Таркского района (Козино и Еланка) работают бассейны с теплой минеральной водой. Термальные источники бьют из-под земли уже много лет. Прогнозные ресурсы термальных вод для Омской и Новосибирской областей составляют примерно 200 000 м3/сутки. Средняя температура воды на поверхности +40 С.
Прежде всего, интересно провести расчеты для отопления общественных зданий, клубов, детских садов и школ. Сделаем такую прикидку для общественных зданий Татарского района Новосибирской области. Детские сады, кроме районного центра, расположены в 13 селах района, школы, кроме Татарска, расположены в 25 селах. Там, где есть детский сад, обязательно есть и школа.
По информации об уже имеющихся скважинах километровой глубины мною выбраны райцентр и четыре села района с детскими садами и школами и с действующими скважинами: Зубовка, Никулино, Николаевка, Лопатино. Рядом с ними есть семь скважин с совокупным потенциалом теплофикации 21,3 Гкал/час и дебитом около тысячи кубометров в час.

Тепло уже имеющихся скважин способно отапливать в каждом из четырех сел школу со стандартной площадью 2600 кв. м. Возможно, для начала масштабного внедрения геотермального отопления и не потребуется бурить новые скважины.

Глубже бурить или ставить тепловые насосы?

Главная проблема освоения геотермальной энергии в Новосибирской области, как и по всему левобережью Оби, — невысокая температура термальных вод, предполагающая использование тепловых насосов.

Задача выбора между повышением температуры или бурением более глубоких скважин — непростая расчетная задача экономического обоснования. Пожалуй, с этого хорошо бы и начинать.

Температура подземной воды, поднятой на поверхность в Татарском районе из километровых скважин, в среднем всего +35⁰С. Добывают ее ради получения питьевой воды, ради этого и стремятся как можно быстрее ее охладить. В горячей и теплой воде трудно избавиться от нежелательных микроорганизмов и паразитов. Существуют определенные ограничения сверху на температуру питьевой и водопроводной воды. Поэтому выбрана оптимальная глубина скважин примерно в 1 км. По предварительным оценкам, для геотермального отопления в Западной Сибири глубина скважин должна быть не менее полутора километров. Но нужно экспериментировать и считать. Мировой (в том числе и советский) опыт говорит об эффективности скважин пятикилометровой глубины.

Примерно половина всех действующих геотермальных электростанций работает на месторождениях геотермального сухого пара. Таких мест на Земле не много, но эти ГеоТЭС требуют наименьших инвестиций.

В 2014 году в Исландии запущена первая в мире работающая в промышленных масштабах геотермальная электростанция, которая получает энергию из магмы Земли. Она располагается на вулканическом кратере, в том месте, где магма подходит к земной коре максимально близко и температура в зоне нижнего забора теплоносителя сотни градусов. Глубина скважин на этой станции всего 2,1 км.

Скажете, Исландия далеко, там гейзеры. Но вот пример поближе — при бурении скважины в Колпашеве, не доходя глубины 3 км, вышли на термальные воды с температурой +125⁰С .

В первых рядах прикладной науки, естественно, должны идти экономисты. Именно они могут рассчитать, что выгоднее — бурить более глубокие скважины или использовать более эффективные тепловые насосы.

Между металлами и курортами

Наиболее очевидный способ использования геотермальных вод — не отопление, а создание термальных курортов. В Западной Сибири они в наибольшей степени развиты в Тюменской области. Такие термальные курорты как «ЛетоЛето», «Волна», «Аван», «Тайга», «Сосновый бор» и другие известны далеко за пределами области. Прочие западносибирские субъекты РФ заметно отстают от тюменцев. Распространение курортов с горячими источниками полезно не только для здоровья, но и для пропаганды будущего использования геотермальной энергии в экономике.

Еще одна технологическая проблема геотермального отопления состоит в том, что термальные воды содержат большое количество разнообразных химических веществ. Многие из них, в первую очередь редкоземельные металлы, экономически выгодно извлекать из геотермальных вод.

Лет 30 назад в Новосибирске работал сильный коллектив, разрабатывавший методы извлечения редкоземельных и драгоценных металлов из подземных вод. Часть коллектива располагалась в Академгородке, часть — в Калининском районе города. В настоящее время основная часть коллектива трудится в КНР, где уже по их технологиям работает гидрометаллургический завод.
При геотермальном отоплении минеральная составляющая геотермальных вод является досадной помехой. Приходится разрабатывать системы периодической и постоянной очистки труб, насосов и запорной арматуры, что удорожает эксплуатацию геотермальных установок. Впрочем, это еще и дополнительный доход. Требуется разработка комплексной технологии уже новым коллективом в новых условиях.

О науке в деле освоения земного тепла

В прошлом году в рамках программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук Российской Федерации на 2013—2020 годы прорабатывался проект «Геохимия, генезис и механизмы формирования состава подземных вод арктических районов осадочных бассейнов Сибири». Исследовались возможности использования геотермальной энергии в Сибири.

На весах два варианта: либо четыре года исследований, защиты диссертаций и увесистый индекс Хирша, либо геотермальное отопление школ в четырех селах одного из районов Новосибирской области. Стоит ли говорить о том, что гарантированно перевесило. Но давайте отвлечемся и подумаем.

В нашем сознании до сих пор научные исследования расположены линейно, от фундаментальных к прикладным: от описаний картины мира, порождения Вселенной и системы элементарных частиц до режимов резания или способов выращивания огурцов. Исследования геотермальной энергии идут в левой части такой линейной модели, а редкие передислокации в прикладную сферу порождают отдельные объекты, которые не изменяют энергетику принципиально.

Американский социолог Дональд Стоукс еще в 1997 году опубликовал книгу с загадочным названием «Квадрант Пастера». В ней он разделил все виды научных исследований на четыре категории (квадранта), поместив их в табличку 2х2. По горизонтали две категории отличаются по полезности (нет, да), по вертикали — по интересу к устройству мира. Томас Эдисон попал в квадрант, где есть ориентация на полезность, но нет интереса к познанию мира, Нильс Бор — в квадрант, где есть тяга к познанию, но не видно пользы. А наибольший интерес вызвал у него квадрант, где есть и польза, и расширение фундаментальных знаний. Примером могут служить исследования выдающегося французского микробиолога и химика Луи Пастера, сочетавшие в себе теоретические и прикладные разработки. Проводя эксперименты с препаратами, изменяющими физиологию человека или подопытных животных, он одновременно давал результатам теоретические объяснения, развивал фундаментальную науку.

Мне представляется, что если бы задачей науки стало геотермальное отопление пяти школ Татарского и Усть-Таркского районов Новосибирской области, то при подходе Пастера фундаментальная наука о термодинамике и геохимии подземных вод продвинулась бы существенно дальше, чем в гонке за публикациями и защитами диссертаций.

По этой причине данную проблему можно решать только созданием научно-исследовательских организаций разных форм собственности, в отношении которых не будет контроля со стороны Министерства образования и науки РФ в части публикаций и докладов. И, разумеется, финансированием этих организаций на началах частно-государственного партнерства. Можно начинать с чего угодно, но обязательно — с конкретного. Например, с перевода на геотермальное отопление нескольких школ на западе Новосибирской области.

Юрий Воронов

Поделиться:

Новости партнеров: