«Ископаемое» тепло

Как известно, писатели-фантасты нередко предугадывают будущее, высказывая прогрессивные идеи относительно тех или иных технических достижений, которые получают развитие лишь много лет спустя. Интересно также и то, что иной раз ученые намеренно выбирают жанр научной фантастики, чтобы в такой форме изложить свои самые смелые размышления и догадки. Показательным примером на этот счет является малоизвестная в наши дни повесть советского геолога, академика Владимира Обручева «Тепловая шахта», где впервые была представлена технологическая схема геотермальной циркуляционной системы, использующей энергию земных недр.

Черновой вариант рукописи появился еще в начале 1920-х годов.  То есть автор повести размышлял об очень важном направлении современной альтернативной энергетики еще сто лет назад. С позиции тех времен его новаторские идеи воспринимались как самый настоящий фантастический вымысел. Вот характерный отрывок из этого произведения:

- Вам, конечно, известно, что горючие материалы дорожают с каждым годом. Уголь, нефть, торф, дрова становятся предметами роскоши. Леса вырубаются, залежи угля и нефти истощаются. Пора подумать о новых источниках тепла для промышленности и для отопления жилищ.

Путилин поднял брови. О кризисе топлива он еще не думал. Если это верно, то на топливе можно хорошо заработать. "Проверим и займемся скупкой лесосек и копей!" - мелькнула у него мысль.

- Интересно, - заметил он, - какие новые источники тепла вы имеете в виду?

- Я думаю, вам известно также, - продолжал Ельников, - что недра нашей земли хранят еще массы тепла?

Путилин кивнул головой, хотя о подземном тепле он помнил только очень смутно.

- Вы имеете в виду вулканы? - спросил он удивленно.

- В России действующих вулканов нет, если не считать далекую Камчатку, - ответил Ельников. - Кроме того, вулканы работают очень неправильно. С ними никакие технические расчеты невозможны. Опасно и ненадежно. Моя идея проще. Я хочу взять источник тепла, верный, огромный и действующий непрерывно и равномерно.

"Какой-то фантазер!" - подумал Путилин и нахмурился. Но посетитель заинтересовал его, и он не протянул руку к часам, чтобы положить конец разговору.

Заметьте: топливный кризис, о котором упомянуто в повести академика Обручева, является злободневной темой современности. В настоящее время он накладывается на проблему климатических изменений, выступающих еще одним серьезным ограничением для массового применения традиционных энергетических ресурсов. Поэтому именно в наши дни поиск «огромного, действующего непрерывно и равномерно» источника тепла является стратегически важным направлением научно-технического прогресса.

Как мы знаем, в наши дни в роли альтернативного источника энергии на первый план выходят солнце и ветер. С одной стороны, признается, что их энергия неисчерпаема.

Однако к ней неприменимы такие показатели, как непрерывность и равномерность. Солнечные и ветряные станции очень сильно зависят от природно-климатических факторов. Сегодня мы наблюдаем, как по мере дальнейшего изменения климата капризы погоды становятся все более и более выраженными. Это означает, что нынешняя «зеленая» энергетика становится менее надежной и менее предсказуемой в плане выработки электричества.

Энергия земных недр в этом отношении лишена указанных недостатков. Показательно, что до академика Обручева идея извлечения геотермальной энергии твердых горячих пород была высказана в самом конце позапрошлого века Константином Циолковским, и подробно разъяснена им в 1914 году.  То есть подземное «море тепла» не было никакой фантастикой. Для науки пока что сложно подсчитать точное количество энергии, таящейся в горячих недрах Земли. Однако у ученых не было никакого сомнения в том, что она колоссальна. Как в свое время заметил научный руководитель Института теплофизики СО РАН академик Сергей Алексеенко, глубинного тепла (на глубине до 10 километров) достаточно для того, чтобы навсегда обеспечить человечество необходимой энергией! И наиболее прозорливые ученые еще сто лет назад понимали, что человек должен в обязательном порядке научиться использовать глубинную энергию в своих целях.

В начале 1950-х годов советские специалисты всерьез рассуждали о возможности создания электростанций, использующих тепловую энергию земных недр. Это был принципиально новый тип энергетических объектов, резко отличающихся от тепловых и гидравлических электростанций. Там нет гигантских паровых котлов, нет устройств для вывоза золы и шлака, нет плотин, водосливных устройств, шлюзов и т.д. Отсюда делался вывод, что строительство геотермической электростанции окажется дешевле строительства традиционных ТЭЦ и ГЭС – примерно в 5-6 раз. Себестоимость такой станции, считали ученые, может окупиться за пару лет. Использование дарового глубинного тепла позволило бы ежегодно экономить на каждую тысячу киловатт произведенной энергии почти 4 тысячи тонн угля. В сравнении с ТЭС она оказалась бы дешевле в 8-10 раз и в 2-3 раза дешевле - в сравнении с ГЭС.  Кроме того, вместе с горячей водой и паром из земных недр выходят и ценные химические примеси вроде бора, мышьяка, брома, йода, серы и так далее. Промышленное использование указанных примесей, улавливаемых с помощью очистителей, даст дополнительное удешевление стоимости выработанного электричества.

В 1963 году в Париже появилась первая геотермальная циркуляционная система (предсказанная, напомним, в произведении академика Обручева), извлекающая тепло из пластов с естественной проницаемостью. К середине 1980-х уже появилось 64 ГЦС общей тепловой мощностью 450 МВт, что позволяло обеспечить теплом 154 тысячи квартир.

В 1970 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории США была предложена ГЦС с искусственным коллектором из вертикальных трещин, создаваемых путем гидроразрыва в монолите. Проект получил название Hot Dry Rock (HDR). В последние годы разработчики пошли по пути создания обширных резервуаров с множеством трещин, возникающих путем стимулирования естественны дефектов. Сюда относят, например, проекты типа Enhanced Geothermal Systems (EGS).

Как подчеркнул в одном из своих докладов академик Сергей Алексеенко, всего было реализовано около двадцати опытных систем типа HDR и EGS, которые (внимание!) подтвердили техническую возможность извлечения глубинного тепла с глубин до 5,1 км. Отметим, что в начале 1950-х годов речь шла о глубинах 20 – 30 километров.

Наконец, в 2013 году в США (штат Невада) была запущена первая коммерческая электростанция на базе EGS мощностью 1,7 МВт (Desert Peak Demonstration Project). В 2015 году было уже пять демонстрационных проектов EGS. По словам академика Сергея Алексеенко, извлекаемые запасы геотермальной энергии в США оцениваются на уровне 50 тысяч годовых потреблений всей энергии! Согласно официальным планам, к 2050 году за чет глубинного тепла здесь собираются достичь установленной мощности 100 ГВт, что составит 10% от всей установленной мощности в этой стране.

Таким образом, сделан серьезный шаг в сторону освоения того самого «моря даровой энергии», о котором сто лет назад писали советские фантасты, а в начале 1950-х годов рассуждали инженеры и ученые. Как отметил Сергей Алексеенко, территория нашей страны также богата запасами геотермальной энергии, и в первую очередь это относится к территории Западной Сибири. Остается сожалеть, что на данный момент мы не можем продемонстрировать столь очевидных успехов на этом пути, которых добились американцы. Здравые и смелые идеи, как это часто у нас бывает, почему-то находят практическую реализацию в других странах.

Андрей Колосов