Геотермия на марше
Так называемый Киотский протокол, принятый 10 лет назад в дополнение к Рамочной конвенции ООН об изменении климата, до сих пор остаётся самым масштабным глобальным соглашением об охране окружающей среды. В его основу впервые были положены рыночные механизмы регулирования – международная торговля квотами на выброс парниковых газов. Впрочем, судьба этого документа складывается пока не самым удачным образом: во-первых, к нему так и не присоединились некоторые страны, входящие в группу мировых лидеров по части загрязнения атмосферы, прежде всего, США и Австралия; во-вторых, хотя заявленная цель Киотского протокола – снизить объёмы эмиссии парниковых газов к 2012-му году по сравнению с 1990-м годом в среднем более чем на 5 процентов, эти объёмы продолжают расти: так, по данным на 2005-й год в Испании выбросы выросли на 53 процента, в Канаде и Новой Зеландии – на 25 процентов. Правда, многие эксперты полагают, что ещё не всё потеряно и поставленная цель всё-таки может быть достигнута. Но есть и другие эксперты, считающие весь Киотский протокол бессмысленной затеей: они сетуют на то, что предусмотренные в нём меры малоэффективны, не стимулируют развитие исследований в области альтернативных источников энергии и не решают проблему адаптации к уже происходящим, а тем более к грядущим изменениям климата. Эти эксперты указывают также на несовершенство имеющихся сегодня компьютерных моделей развития климата и, соответственно, на недостоверность сделанных на их основе прогнозов. Они также уверены, что роль антропогенных факторов в глобальном потеплении сильно преувеличена, и аргументируют эту точку зрения тем, что аналогичные изменения климата происходили на нашей планете и раньше, когда ни о какой хозяйственной деятельности человека и речи быть не могло. Впрочем, надёжность климатологических прогнозов – это тема особая. И как быть дальше с Киотским протоколом – тоже неясно. В 2012-м году срок его действия истекает, а договориться о дальнейших мерах по защите климата пока не удалось ни в Монреале в 2005-м году, ни в Найроби в 2006-м. Через неделю в Бали открывается 3-я конференция сторон Киотского протокола, но будут ли там приняты важные решения на дальнейшую перспективу, пока неясно. Зато ясно другое: что на смену ископаемым углеводородам рано или поздно должны прийти возобновляемые энергоресурсы, и чем скорее это произойдёт, тем лучше.
В сознании большинства людей альтернативные источники энергии почему-то ассоциируются, прежде всего, с солнечной энергией и с энергией ветра. Но для того, чтобы оправдать своё название и стать реальной альтернативой традиционным энергоресурсам, эти альтернативные источники энергии должны отвечать целому ряду критериев. Например, обеспечивать стабильное и управляемое энергопроизводство. Ведь цепную ядерную реакцию или процесс сжигания ископаемого топлива можно останавливать и снова запускать по мере надобности, а вот когда солнце выглянет, а когда спрячется, когда ветер подует, а когда стихнет, – на это человек повлиять не может. Для того, чтобы обеспечить постоянный уровень напряжения в таких энергосетях, приходится использовать различные буферные и аккумуляционные установки, что значительно снижает коэффициент полезного действия этих электростанций.
Между тем, существует ещё один исключительно перспективный энергоресурс, почему-то отошедший в сознании общественности на задний план: геотермия, то есть тепловые процессы в недрах Земли. Это тепло имеется повсюду и доступно круглосуточно. Достаточно привести такие цифры: 99 процентов всего вещества, образующего нашу планету, имеют температуру выше 1000 градусов Цельсия, а доля вещества с температурой ниже ста градусов и вовсе составляет лишь 0,1 процента от массы Земли. И пусть даже реальному использованию поддаётся лишь очень незначительная часть этой энергии, но и она при таких масштабах практически неисчерпаема. Буркхард Заннер (Burkhard Sanner), геофизик Гисенского университета, говорит:
Геологический потенциал тут значительно превосходит всё, что мы в принципе способны потребить. Если иметь в виду только близповерхностную геотермию, то за её счёт можно уже в самое ближайшее время начать покрывать 20-25 процентов всей потребности Германии в тепле – и это не считая производства электроэнергии.
Уже разведанные запасы геотермальной энергии более чем в тридцать раз превосходят энергозапасы всех ископаемых ресурсов вместе взятых. Вопрос лишь в том, как технически этот потенциал реализовать. В Германии, как ни странно, геотермии до недавнего времени почти не уделялось внимания. Это отчасти объясняется тем, что в стране мало горячих источников, – говорит Буркхард Заннер:
Горячие источники, которые мы имеем, лишь подтверждают наличие значительных запасов геотермальной энергии в недрах, однако сами по себе ввиду своей незначительности практически бесполезны. Мы предпочитаем поэтому бурить скважины, чтобы добраться непосредственно до горячих гидрогеотермальных пластов.
Реализация крупнейшего в Германии проекта такого рода завершается сейчас в Баварии, в городке Унтерхахинге близ Мюнхена. С начала октября все местные административные здания и многие жилые дома централизованно снабжаются теплом из недр Земли. А вскоре вступит в строй и электростанция, работающая на геотермии. Всё это стало возможным благодаря тому, что под значительной частью территории южной Германии на глубине около 3,5 километров имеется гигантский подземный резервуар горячей воды, – говорит Кристиан Шёнвизнер-Боцкурт (Christian Schönwiesner-Bozkurt), руководитель этого геотермального проекта:
Здесь в Баварии у нас прекрасные условия в том, что касается термальных вод. Это крупнейшая в Европе подземная зона, позволяющая добывать горячую воду. Её температура составляет от 80-ти до 150-ти градусов Цельсия. Глубинные горные породы представляют собой что-то вроде пропитанной водой губки, а по запасам воды этот резервуар сравним с Боденским озером.
Понятно, что никакой воды с температурой в 150 градусов при нормальных условиях быть не может, на поверхности Земли она, как известно, превращается в пар уже при 100 градусах, однако на глубине в 3,5 километра давление столь велико, что точка кипения воды смещается вверх на десятки градусов. Это же давление заставляет воду самостоятельно, без всяких насосов, подниматься по скважине к поверхности Земли. Старт проекту был дан в сентябре 2001-го года, то есть 6 лет назад. Бургомистр городка Эрвин Кнапек (Erwin Knapek) поясняет:
Принятая общиной энергетическая концепция должна была, прежде всего, обеспечить энергоснабжение административных зданий без выбросов СО2 в атмосферу. То есть во главу угла была поставлена экология. А то, что из всех альтернативных энергоресурсов мы выбрали именно геотермию, объясняется наличием здесь этого подземного горячего озера.
Реализовать замысел оказалось сложнее, чем многие думали. Проектирование и бурение скважин заняло 3 года, инвестиции составили 70 миллионов евро. Зато 24-го сентября 2004-го года на глубине в 3346 метров бур действительно вышел на подземное озеро с температурой 122 градуса Цельсия. И вода тотчас начала поступать наверх со скоростью 150 литров в секунду. Используемую в Баварии технологию эффективного преобразования геотермальной энергии в тепло- и электроснабжение зданий Шёнвизнер-Боцкурт излагает так:
Мы берём термальную воду, поступающую наверх из первой скважины, и направляем её в теплообменник, где она отдаёт часть своего тепла. А затем эта термальная вода, в химическом отношении не претерпевшая никаких изменений, закачивается во вторую скважину. Это первый контур. А за теплообменником находится второй, замкнутый контур, наполненный водно-аммиачной смесью.
Тут требуется небольшое пояснение. Такая схема именуется «циклом Калины». Александр Исаевич Калина – бывший советский инженер, выходец из Одессы, закончивший там Холодильный институт. Талантливейший изобретатель, не найдя признания на родине и изрядно намыкавшийся в борьбе с министерскими чиновниками и начальниками-плагиаторами, эмигрировал в 70-х годах в США. Здесь поначалу тоже не всё складывалось гладко. Не найдя людей, готовых вкладывать большие деньги в практическую реализацию его идей, Александр Калина был вынужден основать собственную фирму и пробивать себе дорогу в джунглях совершенно неведомого ему капиталистического бизнеса. Но всё хорошо, что хорошо кончается: в 1993-м году новаторскую разработку Калины купил американский концерн «General Electric». Сумма сделки обнародована не была, но, по оценке корреспондента влиятельного и хорошо информированного американского журнала «Forbes», даже если Калина получит лишь 1 процент от тех прибылей, что принесёт концерну его разработка, то гонорар изобретателя составит около ста миллионов долларов. С тех пор идея Калины реализована в целом ряде проектов – сперва в экспериментальной установке в США, затем в двух установках в Японии, потом в установке мощностью в 1,8 мегаватта в Исландии, а теперь вот и в Германии, в Унтерхахинге. Геотермальные электростанции с «циклом Калины» имеют две особенности: во-первых, извлечённая из недр Земли горячая вода используется не непосредственно, а передаёт свою энергию другой жидкости – так называемому рабочему телу. Такую схему называют двухконтурной, или бинарной. Вторая особенность заключается в том, что в качестве рабочего тела используется двухкомпонентная водно-аммиачная смесь. Поскольку эти компоненты имеют разные критические температуры, то равновесное состояние между жидкой и газовой фазами у каждого из них наступает при различных параметрах. В ходе процесса состояние водно-аммиачной смеси и, соответственно, концентрация в ней компонентов непрерывно меняются. Это позволяет оптимизировать перенос тепла при испарении и конденсации рабочего тела. В результате «цикл Калины» значительно эффективнее всех прочих бинарных схем.
Первая в Европе установка с «циклом Калины» появилась на северо-восточном побережье Исландии в Хусавике – городке, насчитывающем 2,5 тысячи жителей. Их потребности в электроэнергии эта установка покрывает на 80 процентов. По словам местных инженеров-эксплуатационников, выигрыш в коэффициенте её полезного действия составляет по сравнению с традиционными геотермальными электростанциями от 20-ти до 25-ти процентов. Вряд ли стоит объяснять, что это гигантский прогресс. Кроме того, долгое время считалось, что для эффективного производства электроэнергии термальные воды должны иметь температуру не менее 150-ти градусов Цельсия. Но «цикл Калины» позволяет использовать и более холодную воду, что и дало возможность реализовать проект в Баварии. Бургомистр Кнапек не без гордости говорит:
Мы экономим от 30-ти до 40-ка тысяч тонн выбросов углекислого газа в год. Если энергоснабжение Унтерхахинга осуществлять за счёт традиционных энергоносителей, то эмиссии СО2 составят около 60-ти тысяч тонн в год. Получается, что геотермия позволяет снизить выбросы вдвое или даже на две трети.
Минимум четверть из 20-ти тысяч домашних хозяйств городка планируется в ближайшее время перевести на геотермальное энергоснабжение. Успех проекта породил в окрестных населённых пунктах что-то вроде золотой лихорадки, – говорит Шёнвизнер-Боцкурт:
Это привело к тому, что поступило множество заявок на разработку новых геотермальных полей. В Баварии число заявок приближается к сотне. А за каждой заявкой, скорее всего, стоит более или менее конкретный проект. По нашим расчётам, это сулит капиталовложения в сумме от 3,5 до 4 миллиардов евро.
Но одной лишь Баварией дело не ограничивается. Аналогичные геотермальные проекты реализуются и в ряде других федеральных земель. Этим и объясняется оптимизм бургомистра Унтерхахинга Эрвина Кнапека:
Я считаю, что геотермия завоёвывает всё новые позиции. Ведь чем дороже становятся ископаемые энергоресурсы, тем привлекательнее делается тепло, добываемое из недр Земли, как основной источник энергии для отопления домов.
Правда, тут есть и обратный эффект, – говорит Хорст Кройтер (Horst Kreuter), инженер из Карлсруэ, сотрудник федерального объединения «Геотермия»:
Благодаря высоким ценам на нефть нефтедобывающие концерны начинают бурить скважины по всему миру. В связи с этим расценки на буровые работы выросли настолько, что многие проекты в области геотермии, ещё три года назад считавшиеся экономически выгодными, сегодня оказываются заведомо убыточными. Если все буровые установки передислоцируются на Аравийский полуостров, значит, их не хватает здесь, в Германии. Нам нужно больше этих установок, больше персонала и более эффективные технологии.
Нельзя не упомянуть и ещё одну проблему: не далее как в начале нынешнего года был приостановлен на неопределённое время геотермальный проект в Швейцарии, в Базеле, после того как его реализация вызвала целую серию землетрясений силой до 3,5 баллов. Дело, к счастью, обошлось без жертв и разрушений, но продолжение проекта было сочтено слишком рискованным. Правда, некоторые исследователи считают, что эти искусственно вызванные подземные толчки принесли пользу, разрядив тектонические напряжения и предотвратив, возможно, более сильное землетрясение в будущем. К тому же проект в Базеле базировался на технологии, отличной от той, что использована в Унтерхахинге. Эта технология именуется «hot dry rock», то есть «горячие сухие горные породы»: на глубину в 4-6 километров бурятся 2 скважины с таким расчётом, чтобы через одну закачивать внутрь холодную воду, а через другую отводить разогретый пар – ведь температура на такой глубине достигает 150-200 градусов Цельсия. Главное преимущество такой технологии – в том, что она позволяет использовать заключённое в недрах Земли тепло повсеместно, а не только в тех регионах, где имеются горячие геотермальные воды, – говорит Буркхард Заннер:
Технология «горячих сухих горных пород» как раз и создавалась для того, чтобы геотермальную энергию можно было использовать вне этих особых зон – зон вулканической активности, горячих источников, гейзеров и так далее.
Конечно, каждая технология имеет свои плюсы и минусы, с каждой технологией связаны определённые риски. Но то, что геотермия в той или иной форме имеет огромный энергетический потенциал, не вызывает сомнений. И то, что Европа и, в частности, Германия наращивают активность в этой области, можно только приветствовать.