Энергия под ногами. Интервью о геотермальной энергетике с директором Государственного геологического музея Сергеем Черкасовым

Тепло Земли ― неисчерпаемая энергия, которая будет гарантированно существовать до тех пор, пока жива сама планета. В России, правда, этот источник практически не используется ― геотермальными станциями вырабатывается только 0,03% от всего объема электроэнергии.

Почему геотермальной энергетике в России уделяется так мало внимания? Насколько она безопасна для экологии? В каких условиях подобные станции могут быть востребованы? Об этом ― в интервью с Сергеем Владимировичем Черкасовым.

― В течение последних 10–15 лет (в том числе в связи с климатической повесткой) в общественном пространстве все чаще поднимается вопрос о необходимости развития и более широком применении возобновляемых источников энергии. Но разговоры преимущественно идут о двух видах зеленой энергетики ― солнечной и ветровой. Геотермальная энергия в этом контексте в России практически не рассматривается. Почему сложилась такая ситуация?

― Геотермальная энергетика в России всегда была не дочерью, а падчерицей энергетической отрасли. Например, в перечне возобновляемых источников энергии, утвержденном Министерством энергетики РФ, геотермальная энергетика отсутствует. То есть у нее нет даже официального статуса возобновляемого источника, хотя пока существует наша планета, будет существовать и геотермальное тепло, которое можно использовать в хозяйственных целях.

Такая ситуация характерна не для всего мира. К геотермальной энергетике очень внимательно относятся США и государства Юго-Восточной Азии. А в Исландии на геотермальных электростанциях вырабатывается 70% всей энергии. Все дело в географическом положении и геологическом строении регионов: Исландия ― это в целом «горячая точка», а государства Юго-Восточной Азии находятся в пределах вулканического пояса. Понятно, что там геотермальная энергия более доступна, ближе к поверхности и поэтому активно развивается. Правительствам таких стран очевидно, что этот источник работает надежно и эффективно.

В России к подобным регионам относятся только Камчатка и Курильские острова. Однако там наблюдается перепроизводство электроэнергии, и ее просто некуда девать. Поэтому интерес к использованию геотермальной энергии существует, но особого смысла в ее развитии пока нет.

― Нет экономически выгодных точек ее использования?

― Геотермальные электростанции становятся экономически выгодными не сразу, а со временем. Однако высокотемпературные источники на поверхности очень часто мигрируют: где-то зарастают кальцием, где-то остывают, а где-то появляются новые. Но для энергетики необходим стабильный дебит, который можно получить только из достаточно мощных резервуаров геотермальных вод или пароводяных смесей. Обычно такие резервуары залегают на глубине не менее нескольких сотен метров. Самые неглубокие скважины, которые используются на Камчатке для получения геотермальной энергии, уходят в землю более чем на 400 м. А в Исландии глубина скважин превышает 1,6 тыс. м.

При этом существуют значительные экономические риски. В нефтегазовой отрасли, как и в добыче углеводородов, можно пробурить 50 скважин впустую на глубину 2–3 км, а потом спешное попадание окупает все затраты за несколько суток. В геотермальной энергетике ситуация иная: ведь мы получаем просто горячую воду, и быстро она не окупится.

Например, мы с коллегами из Грозненского государственного нефтяного технического университета им. ак. М.Д. Миллионщикова разработали проект и построили геотермальную тепловую станцию. Этот опыт планировалось тиражировать в других районах Чечни, тем более что там много месторождений теплоэнергетических вод. Но пока мы занимались станцией, в Грозном построили 300-мегаваттную ТЭЦ. И все, интерес к проекту пропал.

― Напомните принцип работы геотермальной энергетики: это использование горячих вод или возможно использовать сухое тепло?

― Геотермальная энергетика делится на два основных вида. Первый — гидротермальная энергетика, которая использует теплоэнергетические воды, состав которых может меняться в зависимости от температуры и давления. Второй вид — петротермальная энергетика, то есть использование тепла сухих пород. Практически на всей планете с увеличением глубины температура повышается: прирост составляет порядка 20 °C на каждый километр. Если пробурить километровую скважину, там гарантированно будет не 0 ^oС, а 20 ^oС. Однако существуют аномальные зоны, где геотермический градиент гораздо выше и достигает порой 100 и более градусов на километр.

Самый яркий пример петротермальной энергетики — европейский проект ГеоЭС в Сульце, практически на границе Франции и Германии. Принцип работы таков: бурятся две скважины на расстоянии от нескольких сотен метров до километра. Затем между скважинами проводят гидроразрыв, создавая искусственный резервуар. Через одну скважину под давлением закачивают воду, которая, проходя к другой скважине, нагревается, забирая тепло сухих пород. После этого нагретую воду выкачивают через вторую скважину. Такой подход универсален и применим в любой точке планеты, если пробуриться на достаточную глубину. В Сульце сейчас работают две станции, на одной из которых глубина скважин достигает 5,5 тыс. м, на другой — около 3,7 тыс. м. На таких глубинах в этом регионе температура уже приближается к 200 °C.

Однако есть и подводные камни. Лет 20 назад, когда петротермальная энергетика была особенно популярна, аналогичный проект реализовали в швейцарском городе Берне. Тогда усилились микросейсмические колебания ― сам гидроразрыв и перетекание на глубине больших объемов жидкости в искусственных резервуарах меняют схему напряжений в земной коре. Конечно, ничего не разрушилось и значительных колебаний не было, однако население Берна занервничало и проект закрыли.

― Возобновляемые источники энергии так или иначе влияют на экологию, хоть их и называют зелеными. Например, это проблема утилизации лопастей ветряков. Насколько безопасна в этом контексте геотермальная энергетика?

― Определенный риск представляет разлив термальных вод на поверхности: они, как правило, минерализованы, что может негативно влиять на экологию. Однако сейчас практически все современные установки строятся по так называемой дублетной схеме, то есть с использованием двух скважин. Через первую, добывающую, из резервуара выкачивается вода, проходит через теплообменник на поверхности, а затем по второй ― нагнетательной ― закачивается обратно в тот же слой. Эта схема используется и в гидро-, и в петротермальной энергетике. При такой схеме риск разлива становится минимальным, разве что произойдет аварийная ситуация, например прорыв теплообменника или разрушение наземного оборудования. Поэтому с точки зрения экологии геотермальная энергия — самая чистая из всех существующих видов.

Кстати, в Грозном на нашей станции мы обнаружили любопытный эффект. Там две скважины глубиной около 900 м. Мы добываем воду и мощным насосом закачиваем ее обратно в нагнетательную скважину. Таким образом, по замкнутому циклу проходит 200–220 м³/ч. При этом, если отключить все насосы, через систему продолжает проходить около 25 м³/ч. Дело в том, что поднимается горячая вода, а опускается холодная, и плотность у них разная. Из-за этого между забоями скважин возникает небольшая разница давлений: столб теплой воды давит на забой меньше, чем столб холодной. В результате образуется не кольцевое движение, а постоянный переток между двумя точками с разным давлением: достаточно запустить систему один раз, и дальше она работает сама.

Другое дело, что эти 25 м³/ч дают максимум около 1 МВт тепловой энергии. А коэффициент преобразования тепловой энергии в электрическую при температуре около 100 ^oC достаточно низкий: порядка 10–12%. То есть на такой установке можно получить примерно 100 кВт электрической мощности, что совсем немного, учитывая существующие риски, высокие затраты и очень медленный возврат средств.

― Тем не менее, несмотря на риски и отложенный возврат вложенных средств, геотермальная электростанция может быть востребованной в отделенных регионах, например в небольшом арктическом городке с населением 10–15 тыс. человек? Казалось бы, построив ее, можно создать энергетически независимую и автономную территорию…

― Конечно, так и есть. Но для того чтобы создать такой энергообъект, нужно хотя бы в общих чертах понимать и весь потенциал геотермальной энергетики, и возможные риски, и объемы вложений. А бизнес на мазуте — это деньги здесь и сейчас. К сожалению, здравым смыслом победить сиюминутную выгоду никак не получается.

Только подход на государственном уровне способен изменить эту ситуацию. Например, в странах, где геотермальная энергетика активно используется, ― Исландии, Франции, США ― без государственного участия, без создания особых условий для производителей геотермальной энергии ничего бы не получилось.

― Если не ошибаюсь, в России на геотермальную энергетику сейчас приходится только 0,03% от всей вырабатываемой энергии…

― Совершенно верно. Хотя и существуют отдельные инициативы, направленные на перемены.

В частности, в Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН академик С.В. Алексеенко пытается пролоббировать принятие государственной геотермальной программы России. Шаги в этом направлении делаются, хотя и с переменным успехом. Например, на Камчатке компания «Зарубежнефть» уже начала участвовать в геотермальных проектах ― планируется практически вдвое увеличить мощность Мутновской геотермальной станции.

В рамках этой же программы ведутся разработки технологий получения электричества из низкотемпературных геотермальных источников ― около 100 ^oC. Принцип преобразования такой энергии в электричество прост и был предложен еще в Советском Союзе: в теплообменник закачивается низкокипящая жидкость, например фреон, которая закипает при невысоких температурах и приводит в действие турбину. Это так называемый цикл Ренкина. На словах все легко, но реализовать такой цикл довольно сложно. Работы в этом направлении сейчас ведутся и в Кемерово, и в Грозном, и можно надеяться на определенные успехи. Однако пока это скорее отдельные достижения, которые становятся возможными благодаря энтузиастам.

Завоз мазута на локальном уровне экономически выглядит привлекательнее, чем отдаленная перспектива практически бесплатного обеспечения энергией. И в масштабе государства ситуация примерно такая же. С точки зрения здравого смысла развитие геотермальной энергетики — это гарантированное обеспечение страны энергией до тех пор, пока существует Земля. Но для многих даже эта фраза остается непонятной, потому что в области геологии население у нас практически безграмотно. Из 11 лет школы только 20 часов посвящено геологии, и то в рамках географии, биологии, химии и физики. Люди, которые так фрагментарно изучают естественные науки, вырастают, и многие из них начинают принимать решения, в том числе касающиеся развития наших недр и геологии. На мой взгляд, для того чтобы здравый смысл все же возобладал, нужно прежде всего повышать геологическую грамотность.

― А как выглядела ситуация с геотермальной энергетикой во времена СССР? Ведь тогда энергетикой занималось исключительно государство, система образования была выстроена несколько иначе, а профессия геолога романтизировалась…

― Что касается образования, в 1934–1941 гг. основы геологии преподавались в средней школе. В 1941–1956 гг. в школьную программу были включены обязательные геологические экскурсии перед началом и в конце учебного года. Чуть ли не в каждом фильме того времени обязательно была положительная роль геолога, пусть даже эпизодическая. Результат был соответствующим: в 1950–1960-е гг. были открыты практически все месторождения, которые мы используем до сих пор.

А в течение 1960–1970-х гг. Советский Союз был мировым лидером в области геотермальных, или, как у нас их называют, теплоэнергетических вод. Запад же всерьез занялся геотермией только после углеводородного кризиса 1970-х гг. — именно тогда произошел всплеск интереса к этому виду энергетики. Но времена изменились, и сейчас мы даже близко не подобрались к прошлым достижениям в области геотермии, хотя на Западе она активно используется и уже приносит отложенную выгоду.

― Если попробовать оценить будущее: запасы углеводородов становится извлекать все сложнее, и, возможно, однажды они исчерпаются. Может ли сложиться ситуация, в которой тепло Земли станет основным источником энергии?

― На вопрос о том, закончатся ли углеводороды, существуют разные точки зрения, в том числе теории и некоторые результаты экспериментов, которые говорят о возобновлении запасов.

Но в любом случае я не вижу неизбежности прихода геотермальной эры и не понимаю, что должно произойти, чтобы в этой сфере наконец возобладал здравый смысл. Конечно, всегда будут энтузиасты. В современной России это, например, академик С.В. Алексеенко или ректор Грозненского нефтяного университета М.Ш. Минцаев. Они занимаются исследованиями в области геотермальной энергетики, понимая, что в любом случае она способна принести пользу.

Периодически поступают запросы от Министерства обороны — для обеспечения энергией удаленных гарнизонов, например на Курилах. Активно развивается Северный морской путь, на котором есть несколько участков с аномально повышенными значениями теплового потока. С учетом темпов развития Северного морского пути использование геотермальной энергии на его маршруте было бы весьма уместно. Но кто будет принимать подобные решения? Если чиновники, которые в школе слышали о геологии от силы часов 20, то убедить их всерьез заняться этим вопросом крайне сложно.

Поэтому светлого безоблачного будущего для геотермальной энергетики в России я не вижу. И дело не в том, что она не нужна или обладает какими-то негативными свойствами. Просто на данный момент ни общество, ни структуры управления не готовы к переходу на такую проблематичную с точки зрения обычного человека систему получения энергии. Надеюсь, что мы хотя бы убедим Министерство энергетики включить геотермию в список возобновляемых источников.

Но локальные позитивные моменты есть. Все больше интереса проявляют нефтяные компании: дело в том, что в Западной Сибири достаточно часто из скважин идет горячая нефть с температурой до 80 ^oC. Для добычи вязкой нефти, а также для поддержания давления в скважины закачивают воду. Так почему бы не использовать это для получения энергии?

Поэтому те или иные ситуации в любом случае будут способствовать развитию этого направления. Но концепция перехода всей энергетики на геотермальные станции представляется чрезмерной.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ