Состояние работы и основные задачи исследований

В начале 80-х годов по данным 11-ой Мировой энергетической конференции суммарная мощность геотермальных электростанций составляла 1, 8 млн. кВт, мощность геотермального теплоснабжения примерно 10 млн. кВт [18].

Первая в мире ГеоТЭС в Лардарелло (Италия), работающая на сухом паре 250° С, сейчас дает самую дешевую электроэнергию. В США на месторождении «ГестЗери» работает самая крупная в мире ГеоТЭС мощностью 510 МВт (1975 г.). Эксплуатируются 75 скважин глубиной до 2, 5 тыс. м, которые снабжают 11 турбогенераторов. К 1995 г. в США намечено получать до 20 млн. кВт, а к 2000 г. более 300 млн. кВт электроэнергии на ГеоТЭС.

В СССР Паужетская ГеоТЭС работает на добытой из скважин глубиной 260—800 м пароводяной смеси (170—200 °С). Диаметр скважины на забое 100—214 мм, дебит 32—172 т/ч. Возможности Паужетского месторождения около 70 МВт. Паратунское месторождение горячих вод с температурой 78 °С послужило объектом для строительства по схеме института теплофизики СО АН СССР экспериментальной фреоновой установки для выработки электроэнергии. Исследования по использованию низкокипящих жидкостей в качестве рабочего агента ГеоТЭС — одна из актуальных проблем развития геотермальной энергетики.

Интересен проект (ЛГИ, ЭНИН им. Кржижановского, Институт вулканологии ДВНЦ) извлечения тепла «сухих» горных пород на ГеоТЭС для условий северного склона вулкана Авача, где на глубине 4 км выявлен магматический очаг с температурой 1000 °С.

На современном этапе теплоснабжения городов и предприятий по масштабам и экономической эффективности наиболее актуальна проблема использования геотермального тепла.

Обычно используется фонтанный способ добычи термальных вод и их транспортируют на расстояние 500 м.

Термальные воды широко используются в тепличном хозяйстве. В Исландии Рейкьявик и многие другие города полностью обеспечиваются термальными водами (94° С, 2 тыс. м³/ч).

Опыт показал, что геотермальное водоснабжение примерно в 2 раза выгоднее обычного, поэтому одной из задач разработчиков является поиск и вовлечение в производство новых объектов использования геотермальных вод.

В 1977 г. осуществлен Лос-Аламосский геотермальный энергетический проект в штате Нью-Мексико, где с глубины 2, 7 км из массива непроницаемых гранитов, разрушенных вертикальными трещинами гидроразрыва, получен фонтан пара 180 °С тепловой мощности 5 МВт. В 1979 г. трещина гидроразрыва расширена до 60 тыс. м² и из добываемого теплоносителя получена электрическая энергия.

Опыт показал эффективность идеи акад. В.А. Обручева для добычи тепла Земли из непроницаемых пород. Показано, что трещины гидроразрыва целесообразно производить при давлении 12, 5 МПа, тогда свободная конвенция обеспечивает эффективный теплосъем, трещина не требует крепления, термические деформации массива увеличивают раскрытие трещины, что приводит к пятикратному уменьшению гидравлического сопротивления системы, утечка воды составляет только 1 %. По концентрации примесей (0, 2 г/л) добываемый теплоноситель соответствует пресной воде. На базе этого опыта в этом же районе создается вторая геотермальная система (глубина 4, 5 км, температура 270 °С) мощностью 50 МВт и сроком службы 30 лет.

В ряде стран в настоящее время идет строительство глубоких скважин для добычи тепла Земли. Так, в Великобритании планируется проходка двух скважин глубиной 2500м в районе полуострова Корнуэлл. При закачивании в одну из них воды можно получать теплоноситель с температурой 80 °С. Кроме того, но этому проекту предусматривается извлечение из теплоносителя урана, цинка, кобальта, бора, лития и калия. Во втором этапе намечено бурить скважины глубиной 5 км и получать пар (200 °С), который будет использоваться для производства электроэнергии.

Несмотря на разработку различных методик расчета гидротермодинамических систем, успех опыта в Лос-Аламосе и его широкий мировой резонанс, в этой проблеме существует еще множество нерешенных научных задач, связанных с вскрытием закономерностей процессов тепломассообмена и фильтрации в коллекторах геотехнологических систем, и практических вопросов, которые могут быть определены только опытными работами в полевых условиях. Это прежде всего вопросы вскрытия коллекторов трещинами гидроразрыва и их удержание во времени, а также определение площади теплосъема.

Необходимо изучить горные породы на месте залегания в условиях напряженного состояния, найти способы, как обеспечить отсутствие «проскоков» воды по наименьшему расстоянию между скважинами, определить, каково будет извлечение минералов и как предотвратить зарастание скважин и т.д.

Освоение геотермальной энергии требует большой работы по геолого-экономической оценке конкретных месторождений, по экономико-математическому моделированию применимости различных геотермических систем [Э.И. Богуславский], которая, кроме всего, еще и учитывает потери тепла в недрах.