ГЛАВА 1.ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Значительная часть поверхности Земли обладает большими запасами геотермальной энергии вследствие вулканической деятельности, радиоактивного распада, тектонических сдвигов и наличия участков магмы в земной коре.

В ряде географических районов использование геотермальных источников может существенно увеличить выработку энергии, так как геотермальные электростанции (ГеоТЭС) являются одним из наиболее дешевых альтернативных источников энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли содержится свыше 1020 Дж теплоты, пригодной для выработки электроэнергии. Такое количество энергии позволяет рассматривать теплоту Земли как альтернативу органическому топливу. Сама природа дает человеку в руки источник альтернативной энергетики

Реальные потребности развития цивилизации на Земле обусловлены непрерывным прогрессом в наращивании энергетической вооруженности, что сопровождается постоянным увеличением энергетических мощностей, которые требуют поиска новых источников энергии. Пока проекты освоения практически неисчерпаемых, энергетических ресурсов не нашли своего решения, человечество, в силу своей исключительной особенности развития, не может остановиться на достигнутом этапе прогресса и оно будет вынуждено пользоваться теми энергетическими ресурсами, которые доступны для освоения и реализации с точки зрения современного уровня экономического развития

Во второй половине ХХ века стало очевидно, что используемые источники энергии или ограничены в своих ресурсах, или же опасны при своём использовании, в особенности, в областях современной сейсмической и вулканической активизации. Кроме того, они распределены неравномерно и могут принести существенный вред среде обитания биоценозов или при их добыче, или при транспортировке. Зависимость многих стран и отдалённых регионов, в такой стране, как Украина, от импортируемого топлива даёт толчок действиям Правительств, руководителям регионов и промышленников к поиску иных источников энергии и к разработке технологий в реализации новых источников энергии. В первую очередь проявился такой интерес, как на национальном уровне, так и на международном, к разработке геотехнологических решений в использовании геотермальной энергетике.

Экономическая целесообразность использования геотермальных ресурсов зависит от многих обстоятельств. Одними из главных особенностей этого аспекта развития геотермальной энергетики является цена на традиционные виды топлива в местах расположения гидротермальных ресурсов, развитость инфраструктуры, сильно влияющей на капитальные затраты, как геологоразведочных работ и эксплуатационного бурения, так и на строительство самих геотермальных электростанций и обустройство промыслов. Все названные факторы изменяются во времени и, естественно, экономическая целесообразность должна рассчитываться весьма конкретно для каждого проекта. Невозможно сделать вывод об абсолютной выгодности того или иного геотермального проекта. Однако следует отметить наличие некоторых экономических особенностей в использовании геотермальных ресурсов. Так, например, экономическая целесообразность строительства геотермальных электростанций характеризуется сравнительно высокими затратами на капитальное строительство. Подавляющую долю в расходной части сметы занимает финансирование строительства геотермальных скважин. Поскольку условия бурения часто зависят от плохо прогнозируемого процесса проходки ствола скважины и возможных притоков геотермального теплоносителя с почти неизвестными термодинамическими параметрами то и стоимость конструкций скважин колеблется в широких пределах. В литературе часто называются средняя стоимость оборудования геотермальных скважин в пределах 1-10 млн. долларов. При этом следует понимать, что средняя стоимость скважины зависит от конкретной гидротермальной системы. По-видимому, следует учитывать и развитость той или ин ой страны, что определяет уровень заработных плат конкретной страны, которые входят основной долей затрат Известно, что стоимость геотермальной скважины сопоставима со стоимостью газовых и нефтяных скважин.

ГЛАВА 1.ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ.

Энергосбережениепри использовании геотермальной энергии составляет 12.5 млн. тонн нефти в год. При этом выброс углекислого газа в атмосферу существенно меньший. Прямое использование геотермальной энергии с помощью тепловых насосов эквивалентно сжиганию 13.1 млн. тонн нефти в год.

Решение проблемы загрязнения атмосферы при использовании геотермальной энергии является одним из важных аргументов её активного использования. Считается, что количество СО₂, выделяемое при производстве электроэнергии геотермальными электростанциями, было бы меньше на 40.2 млн. тонн, а при прямом использовании на 42 млн. тонн. Получены соответствующие цифры для природного газа и угля 9.5 и 46.9 млн. тонн при производстве электроэнергии и 9.9 и 49.0 млн. тонн СО₂ при прямом использовании (35% КПД). Похожие количества для природного газа, нефти и угля определены по уменьшению выбросов окислов серы (Sox) и окислов азота (Nox) – 0.025 и 0.26 млн. тонн и 2.2? 7.6 и 7.6 тысяч тонн, соответственно при производстве электрической энергии, и 0.026 и 0.28 млн. тонн и 2.3, 7.9 и 7.9 тыс.тонн соответственно при прямом использовании геотермальной энергии.

До недавнего времени общее отношение к воздействию на экологию окружающей среды геотермальной энергетики, можно сказать, было попустительским. Причиной этого было почти полное незнание процессов, сопровождающих геотермальную деятельность в областях современного вулканизма. Предполагалось, что извлечение геотермального пара и горячей воды не может серьёзно изменить процесс естественной разгрузки гидротерм. Дилетантский подход при сравнивании геотермальной энергетики с традиционными видами энергии был глубоко научно не обоснованным. Поскольку считалось, что источник геотермальной энергии находится в глубоких недрах Земли, то отбор части этой энергии воспринимался как процесс утилизации расходной части теплового баланса современных геотермальных систем. Полезность такого способа получения энергии земных недр не подвергалась сомнению и активно пропагандировалась инициаторами и апологетами этого вида энергии. Наблюдения за извержениями вулканов доказывали, казалось бы, неисчерпаемость его на протяжении многих лет развития цивилизации Поскольку термальные воды имеют в своём составе растворённые соединения, химические элементы и газы, то отложения геля кремнекислоты из фонтанов парогидротерм рассеиваются на большой площади, которую занимает буровое и опытное оборудование и транспортные пути. Деревья, которые обволакиваются отложениями коллоидной кремнекислоты, погибают. Растворённые газы, в составе которых содержатся СО₂, H₂S, а в некоторых гидротермальных системах и SO₂, загрязняют атмосферу в долинах рек. Как правило, гидротермальные системы в областях современного вулканизма локализуются в местах с контрастным рельефом, то аккумуляция тяжёлых газов в отрицательных формах рельефа способствует усилению этого эффекта на атмосферу глубоких долин рек, ручьёв и впадин. Сброс больших объёмов жидких гидротерм в реки и ручьи, прежде всего, приводит к тепловому загрязнению. Повышение температуры водотоков, в которых находятся нерестилища и места кормовой базы промысловых рыб и других обитателей этих водоёмов, резко изменяло экосистему этих мест. Дно последних зарастало термофильными водорослями, резко снижающими содержание кислорода в этих водах, которое становилось недостаточным для развития пищевых организмов, икры и мальков рыб. Однако отмечалось, что в условиях повышенных температур, молодь промысловых рыб становилась крупнее и более жизнестойкой. Однако подращивание её в термальных водах, содержащих мышьяк, приводило к его накоплению в теле рыбы.

Таким образом, некоторые микроэлементы, находящиеся в гидротермах, также таят опасность для экосистем, в которые вторгаются гидротермы.

Как известно, поверхностные термальные проявления являются привлекательным местом отдыха не только местного населения, а и любителей путешествовать. Уникальные формы выходов на дневную поверхность термальных вод представляют собой объекты созерцания и морального отдыха, являясь своеобразной формой проявления общения человека с дикой природой. Уникальность этих объектов заключается в их редкости и они служат особыми местами поклонения духам, управляющим данной природой. С незапамятных времён местное население поклонялось источникам, термальным озёрам и другим видам термальной активности. Возможно, это было связано и с особыми их бальнеологическими свойствами. Такие места служили не только прагматическим целям, но являлись региональными реликвиями и особо тщательно охранялись. Со временем некоторые из термальных проявлений приватизировались и обустраивались.

Освоение геотермальных ресурсов обычно сопровождается шумом. Шум от геотермальных установок похож на шумы, генерируемые другими промышленными объектами. Если полевые испытания продолжаются длительное время, то уровень шума колеблется в соответствии с процессами производства опытных выпусков из скважин. Разработка геотермальных месторождений с низкотемпературными гидротермами (на дневной поверхности их температура не превышает 100⁰С) менее шумная, чем получение сухого геотермального пара с аналогичным общим расходом теплоносителя. Уровень шумов уменьшается по мере удаления от геотермального объекта и зависит от характера рельефа и состояния атмосферы и часто не отличается от нормального шумового фона урбанизированной местности. Эксперименты на животных показали, что безопасный максимум уровня шумов оказался индивидуален для различных животных и имеется необходимость по составлению карт шумовых зон для каждого вида живых организмов.

Наиболее мощная генерация шумов связана с опытными выпусками пара после сепарации пароводяной смеси на геотермальных полях с жидкими высокотемпературными термами и на пародоминирующих геотермальных системах типа Лардерелло. Уменьшение уровня шумов этого типа источников производится с помощью глушителей, в которых созда-ются условия больших перепадов давления за счёт увеличения объёма выпускаемого пара. Как правило, в условиях эксплуатации геотермальных электростанций этот эффект достигается за счёт конденсирования отработанного пара в специальных конденсаторах. Большею частью генерация шумов во время эксплуатации ГеоТЭС связана с несовершенной схемой утилизации отработанного пара.

Одним из наиболее экологически вредных продуктов геотермальных месторождений с жидкими высокотемпературными термами является кремнезём. Здесь следует отметить, что при сбросе отработанных гидротерм в поверхностные воды, кремнезём отлагается в русле ручьёв, как это, например, происходит на Вайракейской геотермальной электростанции в Новой Зеландии, и образует постоянно увеличивающиеся наросты гейзерита. Предприимчивость деловых новозеландских людей почти решает проблему очистки этого искусственного термального ручья, так как эти отложения аморфного кремнезёма продаются в качестве сувениров многочисленным туристам.

Однако оценивая проблему возможного воздействия кремнезёма гидротерм на окружающую среду и, в особенности на оборудование геотермальных промыслов и геотермальных электростанций, следует отметить её трудно разрешимость. По нашему мнению, это связано в большинстве случаев с тем, что ещё имеются теоретически нерешённые задачи, связанные с химизмом кремнекислоты в гидротермах. Как мы считаем, это, в основном, обусловлено сложностью поведения кремнекислоты, которая может находиться в водном растворе как в ионной, так и в коллоидной форме. Поскольку в химическом составе термальных вод присутствуют катионы и другие сложные соединения, находящиеся также в ионной и коллоидной формах, то они могут воздействовать на процессы флоккуляции, каогуляции, сорбции и десорбции коллоидной кремнекислоты. Эти взаимодействия, несомненно, усложняют процессы, происходящие с кремнистой кислотой и прогноз её режима в гидротермальном процессе в настоящее время задача, нерешённая.

Однако опыт работы по этой проблеме уже накапливается и реализуется в практической деятельности. Так, например, прежде чем закачивать отработанные гидротермы в водоносные горизонты их пропускают (если позволяют условия) через кварцевый песок, в котором большая часть кремнекислоты осаждается, используя кварцевые зёрна в качестве ядер кристаллизации. Интересные наблюдения за поведением кремнезёма при выбросах пароводяной смеси из фонтанирующих скважин свидетельствуют, что дисперсный кремнезём, образующийся в шлейфах пароводяных струй, рассеивается ветром на большие расстояния и может попадать в места обитания людей и животных (автомобили и в открытые окна жилищ) и, несомненно, повреждать лёгкие. Примеров такого воздействия на окружающую среду кремнекислоты, содержащейся в парогидротермах достаточно много (Паужетка, Мутновское месторождение, Вайракей и ряд других). Эта проблема обсуждалась в связи с эксплуатацией высокотемпературной гидротермальной системы Эль Сальвадор, где гидротермальные скважины находились среди кофейных плантаций. Считается, что ущерб этого типа обычно ограничивается небольшими площадками и должен приниматься в качестве неизбежных издержек эксплуатации геотермальных энергоносителей.

Важной проблемой, связанной с развитием геотермальной энергетики, является проседание земной поверхности. Извлечение больших объёмов гидротерм из недр высокотемпературных геотермальных систем с жидким теплоносителем (водой) приводит к образованию в напорном водоносном комплексе (горизонте), так называемой “депрессионной воронки”. Образно говоря, образуется зона пониженного гидростатического давления, в которой часть порового (трещинного) пространства, или не заполнена водой (зона аэрации), или же заполнена низкопараметрическим паром в смеси с некондесируемыми газами (СО₂, Н₂S). В этой части месторождения происходит уплотнение пород (уменьшение свободного пространства), что проявляется в некоторых событиях, таких как наклон земной поверхности (проседание), которое сопровождается формированием зон напряжения в энергетическом оборудовании и возможными механическими его повреждениями. Хотя следует отметить, что большие дифференцированные подвижки в практике эксплуатации геотермальных месторождений редки.

На геотермальных системах, где извлекается жидкий теплоноситель, необходимо вести тщательные геофизические наблюдения. Вполне приемлемым методом формирования депрессионной воронки является повторяющаяся гравиметрическая съёмка. Имеется опасность, что иногда продолжительные откачки гидротерм из водоносных комплексов могут спровоцировать землетрясения, в особенности во время закачки отработанных вод в зоны сильных напряжённых сдвигов, где могут быть большие перепады температур. Эта опасность реальна, поскольку все эксплуатируемые гидротермальные системы обычно находятся в районах сейсмотектонически активных. Такие события происходили в Колорадо, где довольно сильные сейсмические толчки наводились в результате закачки промышленных сточных вод. Наоборот, отбор гидротерм из водоносного горизонта (комплекса) может снизить опасный уровень сейсмической активности.

В связи в вышеприведенным описанием процессов,вызванных массированной откачкой геотермального энергоносителя, высказываются предположения, что в отдалённом будущем, когда этим процессом будут охвачены глубокие недра геотермальных систем и влияние процессов эксплуатации геотермальных ресурсов распространится на большие глубины, не исключено возникновение ситуаций, которые могут спровоцировать и сильные разрушительные землетрясения. Неконтролируемый отбор геотермального тепла, несомненно, приведёт к понижению средней температуры земной коры, что нарушит сложившуюся равновесную тепловую систему. Эти нарушения приведут к перестройке системы напряжений в земной коре, что чревато непредсказуемыми последствиями. Несмотря на то, что это долговременная проблема, необходимо тщательное её изучение.

В практике эксплуатации геотермальных электростанций, которые используют охлаждающие башни (градирни), отмечается образование туманов из этих градирен. Более серьёзное влияние могут оказывать большие объёмы выбросов пара и воды из глушителей и из регуляторов расхода пара, которые издают раздражающий шум. В результате этих выбросов может образоваться туман.

И всё-таки, несмотря на выше описанное, порой негативное, воздействие развития геотермальной энергетики на окружающую среду, возможна рукотворная взаимосвязь инженерных работ с природными поверхностными термальными проявлениями.