Копья вокруг роли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) ломают не первый год. Оптимисты демонстрируют статистику роста суммарных мощностей ветрогенераторов, повышения КПД солнечных батарей и прочие технологические успехи на этом пути. Скептики показывают другие цифры, говорящие о том, что ВИЭ даже вместе взятые не в состоянии в обозримом будущем обеспечить запрос на генерацию энергии со стороны экономики. И предлагают сосредоточиться на строительстве АЭС, водородной энергетике и модернизации существующей энергосистемы.
Но есть один важный нюанс. Вы можете по-разному оценивать антропогенную составляющую глобального потепления (сам факт серьезных изменений климата уже всерьез мало кто оспаривает). Но объективно сегодня сформировался общемировой тренд на «низкоуглеродную экономику», подкрепленный рядом международных соглашений. Проще говоря, помимо мировой науки, где возможны дискуссии, есть глобальная политика и она направлена на снижение выбросов СО2 и других парниковых газов (которые тоже рассчитывают в эквиваленте углекислого газа, отсюда и название – «низкоуглеродная»). Одна из ее составляющих – это санкции по отношению к странам и отдельным компаниям, которые, по оценке мирового сообщества, недостаточно подвинулись в этом направлении. Сибирские компании уже стали сталкиваться с этой проблемой, когда, при пересечении границы на экспортируемый ими продукт «накручивают» дополнительную пошлину в формате «углеродного сбора». Дальше эти проблемы будут только расти. И обойти эти санкции с помощью «серого импорта» или азиатских рынков не получится. «Углеродным следом» в производстве товаров озабочены не только европейцы, Китай и страны Юго-Восточной Азии тоже придерживаются этого курса. У нас же большая часть производства опирается на традиционную энергетику, и даже просто уплата дополнительного «углеродного тарифа» бьет по конкурентоспособности на мировых рынках.
О том, какие вызовы это ставит перед Россией и что с ними делать обсуждали на встрече с академиком РАН и научным руководителем Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН Сергеем Алексеенко, которая прошла в Передовой инженерной школе НГУ.
Для начала академик напомнил о целях, озвученных в рамках мирового «низкоуглеродного» тренда: к 2050 году 90% производства электроэнергии должно приходиться на ВИЭ, причем 70 % из них отводят на долю ветра и солнечной энергии. Но для России эти показатели нереальны. И не только потому, что у нас хуже условия для ветрогенерации и меньше солнца, хотя и эти факторы имеют место. Главная причина в том, что мы самая холодная страна в мире и 40 % электрогенерации уходит на производство тепла. Но невозможно выработать столько тепловой энергии с помощью солнечного света и ветра.
Замкнутый круг? Не совсем, поскольку этим список ВИЭ не исчерпывается, есть там и перспективный для наших задач кандидат – геотермальная энергия. Тем более, большой вклад в теоретический фундамент этого направления внесли как раз наши соотечественники. В 1897 году Константин Циолковский впервые описал идею нагревания воды за счет теплообмена с породами, имеющими на глубине четырех километров температуру 120° С и ее циркуляцию в двух отвесных каналах.
Спустя два десятилетия, другой отечественный ученый, академик Владимир Обручев предложил подробную технологическую схему геотермальной циркуляционной системы (ГЦС), причем писал ее применение не в научной статье, а в художественной повести «Тепловая шахта».
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.
Правда, первая ГЦС была построена в 1964 году в Париже, она работала на основе извлечения тепла из пластов с естественной проницаемостью. А двадцать лет спустя было уже 64 ГЦС общей тепловой мощностью 450 МВт, что позволяло обеспечить теплом 154 тысячи квартир.
Развивались и технологии доступа к источникам энергии. 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).
Как известно, технология гидроразрыва имеет и свои недостатки (включая экологические), поэтому в последующие годы был предложен другой вариант, который в Америке обозначается как Enhanced geothermal system (EGS) – «Усовершенствованная геотермальная система» (хотя слово Enhanced в данном контексте можно перевести как «усиленная», «расширенная» или как «углубленная»). Эта технология имеет важное отличие от гидротермальной энергетики, где используются естественные горячие источники. Когда мы говорим о EGS, мы подразумеваем, что в этом случае в глубинных породах создается искусственный горячий резервуар, откуда нагретая вода поступает наверх по предварительно пробуренной эксплуатационной скважине. Те есть с помощью одних (нагнетательных) скважин мы под давлением подаем холодную воду, эта вода «забирает» глубинное тепло, а потом устремляется на поверхность по эксплуатационным скважинам. Полученное тепло можно использовать либо напрямую (например, для обогрева теплиц), либо для производства электроэнергии. Отдавшая тепло вода снова впрыскивается под землю, и цикл повторяется.
По оценкам специалистов, срок службы одной установки EGS спокойно может составить 20-30 лет. В настоящее время такими системами занимаются не только в США, но также в Австралии, Франции, Японии, Германии, Швейцарии, Южной Корее, Великобритании.
Главное преимущество EGS в том, что она позволяет извлекать энергию почти в любой точке мира (в отличие от гидротермальной системы). Всё определяется глубиной бурения, которая прямо зависит от экономической составляющей процесса. Пока что на практике была подтверждена техническая возможность извлечения тепла с глубины чуть более пяти километров. Но в 1950-е годы речь шла о глубинах в 20-30 км, что значительно повысило бы КПД подобных объектов электрогенерации. Понятно, что пока мы не умеем бурить столь глубокие скважины. Но напомним, что именно наша страна была лидером в этом направлении – да-да, речь о Кольской сверхглубокой скважине, которая дошла до глубины 12260 метров и бурение было остановлено по внешним, экономическим причинам, а не из-за достижения технологического предела.
Впрочем, практика показала, что и у EGS есть свои слабые стороны. Прежде всего – это высокая стоимость бурения, которая начинает расти по экспоненте вместе с глубиной и составляет более половины всех капитальных затрат. А значит, ни о какой быстрой окупаемости объекта не может быть и речи. Но, как уже отмечалось, сами объекты не очень долговечны. Вложения в установку, которая проработает всего четверть века, значительную часть этого срока она просто будет окупать свое строительство – ложно назвать привлекательной и высокорентабельной инвестицией. Существующие технологии предполагают невысокий КПД работы, который к тому же с годами ощутимо снижается из-за падения температуры в резервуаре. И это тоже не повышает привлекательность технологии. Есть и еще ряд технологических моментов, которые стимулируют ученых и разработчиков всего мира искать новые, более совершенные пути доступа к геотермальной энергии.
Ведется такая работа и в нашей стране, а одним из главных научных центров стал Институт теплофизики СО РАН. Один из методов, которые развивают его сотрудники: использование геотермального тепла в системах теплоснабжения зданий и инфраструктурных объектов с помощью тепловых насосов. Тоже, кстати, идея, рожденная нашими учеными еще в начале прошлого века. В настоящее время большинство тепловых насосов, выпускаемых на наших предприятиях, являются зарубежными разработками. В России они собираются «отверточным» способом из заграничных комплектующих. Впрочем, события последних лет вынуждают отечественного производителя искать такие решения дома.
На территории нашей страны работает несколько геотермальных электростанций, которые, как и во всем мире предпочитают строить в местах разломов земной коры, где намного проще и дешевле достичь необходимой глубины. Не удивительно, что большинство расположено на Камчатке и Курильских островах.
Впрочем, проекты, инициированные Институтом теплофизики, позволят расширить географию отрасли. Один предусматривает модернизацию системы теплоснабжения Дивногорска (Красноярский край) с заменой генерирующих тепло электрокотлов на теплонасосные установки. Это позволит снизить затраты на обеспечение сибирского города необходимым телом на 30 %.
Другие проекты связаны с Байкалом, где ученые института давно и комплексно работают над созданием опытных экопоселений как полигона применения «зеленых» технологий строительства, электрогенерации и коммунальной инфраструктуры именно в сибирских условиях.
Конечно, остается еще немало нерешенных задач, о которых академик также рассказал своим слушателям из ПИШ НГУ. Рассказал, понятно, не только для повышения их уровня эрудиции, но и с прицелом на то, что для кого-то перечисленные задачи станут областью дальнейшей работы.
В их числе – создание новых технологий более эффективного и менее дорогого бурения глубоких геотермальных скважин, поиск эффективных методов борьбы с коррозией и отложениями в геотермальном оборудовании, что и становится причиной относительно короткого срока их службы. Неплохо бы научиться использовать для извлечения земного тепла отработанные нефтяные и газовые скважины. А также научиться извлекать вместе с теплом из недр ценные химические вещества типа лития, что в разы сократило бы срок окупаемости новых установок. В общем, задач хватает. И решать их нам придется, поскольку общемировой «низкоуглеродный курс» никто отменять не собирается, атомная энергетика имеет свои, не менее сложные технологические вызовы, а солнечными батареями нам проблемы отопления не решить.
Тем более, как отметил академик, запасы геотермального тепла в нашей стране превышают потенциал всех углеводородных видов топлива раз этак в десять. Надо только суметь ими воспользоваться.
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии