И экологические риски геотермальной энергетики

реализации программ по геотермальной энергетике.

4.1. Обзор экологически вредных способов решения проблемы энергетики и охрана окружающей среды.
До недавнего времени общее отношение к воздействию на экологию окружающей среды геотермальной энергетики, можно сказать, было попустительским. Причиной этого было почти полное незнание процессов, сопровождающих геотермальную деятельность в областях современного вулканизма. Предполагалось, что извлечение геотермального пара и горячей воды не может серьёзно изменить процесс естественной разгрузки гидротерм. Дилетантский подход при сравнивании геотермальной энергетики с традиционными видами энергии был глубоко научно не обоснованным. Поскольку считалось, что источник геотермальной энергии находится в глубоких недрах Земли, то отбор части этой энергии воспринимался как процесс утилизации расходной части теплового баланса современных геотермальных систем. Полезность такого способа получения энергии земных недр не подвергалась сомнению и активно пропагандировалась инициаторами и апологетами этого вида энергии. Наблюдения за извержениями вулканов доказывали, казалось бы, неисчерпаемость его на протяжении многих лет развития цивилизации.

Первые шаги в развитии геотермальной энергетики в Италии, США, Новой Зеландии и СССР (Паужетка, Камчатка), со всей очевидностью показали, что эйфория энтузиастов беспочвенна. В местах разведки и извлечения парогидротерм и низкотемпературных терм производились работы, которые разрушали локальные экосистемы не только механическим способом природных ландшафтов, но и исследовательские работы, связанные с активными выпусками парогидротерм из скважин, наносили ущерб окружающему растительному покрову. Поскольку термальные воды имеют в своём составе растворённые соединения, химические элементы и газы, то отложения геля кремнекислоты из фонтанов парогидротерм рассеиваются на большой площади, которую занимает буровое и опытное оборудование и транспортные пути. Деревья, которые обволакиваются отложениями коллоидной кремнекислоты, погибают. Растворённые газы, в составе которых содержатся СО₂, H₂S, а в некоторых гидротермальных системах и SO₂, загрязняют атмосферу в долинах рек. Как правило, гидротермальные системы в областях современного вулканизма локализуются в местах с контрастным рельефом, то аккумуляция тяжёлых газов в отрицательных формах рельефа способствует усилению этого эффекта на атмосферу глубоких долин рек, ручьёв и впадин.

Сброс больших объёмов жидких гидротерм в реки и ручьи, прежде всего, приводит к тепловому загрязнению. Повышение температуры водотоков, в которых находятся нерестилища и места кормовой базы промысловых рыб (в основном особо ценного лосося, как это имеет место на Камчатке) и других обитателей этих водоёмов, резко изменяло экосистему этих мест. Дно последних зарастало термофильными водорослями, резко снижающими содержание кислорода в этих водах, которое становилось недостаточным для развития пищевых организмов, икры и мальков рыб.

Однако отмечалось, что в условиях повышенных температур, молодь промысловых рыб становилась крупнее и более жизнестойкой. Однако подращивание её в термальных водах, содержащих мышьяк, приводило к его накоплению в теле рыбы.

Таким образом, некоторые микроэлементы, находящиеся в гидротермах, также таят опасность для экосистем, в которые вторгаются гидротермы.

Как известно, поверхностные термальные проявления являются привлекательным местом отдыха не только местного населения, а и любителей путешествовать. Уникальные формы выходов на дневную поверхность термальных вод представляют собой объекты созерцания и морального отдыха, являясь своеобразной формой проявления общения человека с дикой природой. Уникальность этих объектов заключается в их редкости и они служат особыми местами поклонения духам, управляющим данной природой. С незапамятных времён местное население поклонялось источникам, термальным озёрам и другим видам термальной активности. Возможно, это было связано и с особыми их бальнеологическими свойствами. Такие места служили не только прагматическим целям, но являлись региональными реликвиями и особо тщательно охранялись. Со временем некоторые из термальных проявлений приватизировались и обустраивались. В таких странах как Япония, которые характеризуются плотной заселённостью, вырабатывались не писанные природоохранные законы, касающиеся не только источников, но и вулканов, имеющих парогазовые выходы и прогретые парящие площадки. К ним прокладывались хорошо оборудованные дороги и маршруты обсаживались деревьями, а на обочинах этих транспортных путей устанавливались статуи Будды.

Естественно добыча гидротерм из подземных водоносных горизонтов, питающих такие термальные проявления, приводили к перестройке очага разгрузки. Гейзеры или кипящие источники из-за понижения гидростатического уровня некоторых гидротерм, прекращали изливать воду и превращались в ямы и впадины, из которых выделялись струи пара. Гейзерит и травертин, которые окружали ранее существующие гейзеры и кипящие источники, разрушались. На их месте происходило образование красных глин (Гейзеры Вайракей). То есть, отмечалось снижение поверхностной активности гидротерм. Наоборот, вверх по течению подземных потоков гидротерм, там, где до их эксплуатации были небольшие прогретые площадки и слабая парогазовая (фумарольная) деятельность, образовывались значительные по площади (Вайракей ~ 4 га) глубокие грязевые котлы и обвалившиеся ямы со стенками, в которых обнажались отложения гидротермальных взрывов ранних этапов деятельности современной гидротермальной системы. В этих глинистых ямах и котлах происходят бурные процессы химического и термического взаимодействия парогидротерм с породами, представляющие яркое, волнующее и запоминающееся зрелище. Такие изменения порой не вызывают возмущения многочисленных посетителей этих мест. Например, гейзеры Вайракейской гидротермальной системы в Новой Зеландии, когда они действовали, посещало 2-3 тысячи человек в год. В настоящее время после строительства ГеоТЭС эти гейзеры исчезли, а появилась обширная площадка с грязевыми котлами и другие индустриальные пейзажи. Посещаемость увеличилась в десятки и сотни раз. Здесь, по-видимому, сказалось влияние индустриальной инфраструктуры, которая способствовала массовому туризму, невозможному в условиях отсутствия хороших дорог и отелей.

Однако научные исследования, сопровождающие освоение геотермальной энергии, привели к познанию процессов, связанных с деятельность гидротерм. В настоящее время хорошо изучен механизм формирования и деятельности фонтанирующих высокотемпературных источников-гейзеров. Из некоторых скважин на Паужетке происходило пульсирующее истечение пароводяной смеси, аналогичной гейзерным источникам с красивыми струями-факелами. В настоящее время реально подобрать любой режим извержения пароводяной смеси и создать разнообразные типы гейзеров: с большим периодом покоя между импульсами извержений, с коротким периодом покоя, пульсирующим в ритмичном режиме, фонтанирующим в почти постоянном (струйном) режиме. При тщательном регулировании истечения пароводяной смеси из устья скважины имеется возможность получить разную форму струи от узкой-столбообразной с развевающимся шлейфом выбрасываемой пароводяной смеси, до струй в форме пламени.

Не составит труда сконструировать оформление грифона и его окрестностей с образованием многослойного гейзерита с жемчужной поверхностью, так как частое омывание гидротермами, содержащими золи кремнекислоты, образует тонкую плёнку свежего коллоидного кремнезёма, обладающего специфическим жемчужным блеском.

Высокотемпературные гидротермы, имеющие в своём составе растворённый углекислый газ, дают возможность создать озёра, выделяющие пузырьки растворённого газа и отлагающие как гейзериты, так и травертины, которые слагают пористые русла термальных ручьёв с ваннами, заполненными углекислыми термами. Последние не только приятны для купания, но и обладают эффективными бальнеологическими свойствами.

Освоение геотермальных ресурсов обычно сопровождается шумом. Шум от геотермальных установок похож на шумы, генерируемые другими промышленными объектами. Если полевые испытания продолжаются длительное время, то уровень шума колеблется в соответствии с процессами производства опытных выпусков из скважин. Разработка геотермальных месторождений с низкотемпературными гидротермами (на дневной поверхности их температура не превышает 100⁰С) менее шумная, чем получение сухого геотермального пара с аналогичным общим расходом теплоносителя. Уровень шумов уменьшается по мере удаления от геотермального объекта и зависит от характера рельефа и состояния атмосферы и часто не отличается от нормального шумового фона урбанизированной местности. Эксперименты на животных показали, что безопасный максимум уровня шумов оказался индивидуален для различных животных и имеется необходимость по составлению карт шумовых зон для каждого вида живых организмов.

Наиболее мощная генерация шумов связана с опытными выпусками пара после сепарации пароводяной смеси на геотермальных полях с жидкими высокотемпературными термами и на пародоминирующих геотермальных системах типа Лардерелло. Уменьшение уровня шумов этого типа источников производится с помощью глушителей, в которых создаются условия больших перепадов давления за счёт увеличения объёма выпускаемого пара. Как правило, в условиях эксплуатации геотермальных электростанций этот эффект достигается за счёт конденсирования отработанного пара в специальных конденсаторах. Большею частью генерация шумов во время эксплуатации ГеоТЭС связана с несовершенной схемой утилизации отработанного пара.

Одним из наиболее экологически вредных продуктов геотермальных месторождений с жидкими высокотемпературными термами является кремнезём. Подробная информация о нём приводится в главе I. Здесь следует отметить, что при сбросе отработанных гидротерм в поверхностные воды, кремнезём отлагается в русле ручьёв, как это, например, происходит на Вайракейской геотермальной электростанции в Новой Зеландии, и образует постоянно увеличивающиеся наросты гейзерита. Предприимчивость деловых новозеландских людей почти решает проблему очистки этого искусственного термального ручья, так как эти отложения аморфного кремнезёма продаются в качестве сувениров многочисленным туристам.

Однако оценивая проблему возможного воздействия кремнезёма гидротерм на окружающую среду и, в особенности на оборудование геотермальных промыслов и геотермальных электростанций, следует отметить её трудно разрешимость. По нашему мнению, это связано в большинстве случаев с тем, что ещё имеются теоретически нерешённые задачи, связанные с химизмом кремнекислоты в гидротермах. Как мы считаем, это, в основном, обусловлено сложностью поведения кремнекислоты, которая может находиться в водном растворе как в ионной, так и в коллоидной форме. Поскольку в химическом составе термальных вод присутствуют катионы и другие сложные соединения, находящиеся также в ионной и коллоидной формах, то они могут воздействовать на процессы флоккуляции, каогуляции, сорбции и десорбции коллоидной кремнекислоты. Эти взаимодействия, несомненно, усложняют процессы, происходящие с кремнистой кислотой и прогноз её режима в гидротермальном процессе в настоящее время задача, нерешённая.

Однако опыт работы по этой проблеме уже накапливается и реализуется в практической деятельности. Так, например, прежде чем закачивать отработанные гидротермы в водоносные горизонты (о чём будет сказано в следующем разделе настоящей главы) их пропускают (если позволяют условия) через кварцевый песок, в котором большая часть кремнекислоты осаждается, используя кварцевые зёрна в качестве ядер кристаллизации. В другом случае, в Новой Зеландии, была построена опытно-промышленная станция, в которой отработанные гидротермы, представляющие собой пересыщенный раствор кремнезёма, пропускался через гашёную известь, в результате чего образовывались кальциевые силикаты, и происходила очистка терм от избыточной кремнекислоты. Кальциевые силикаты после сушки теми же термальными водами использовались в качестве строительного материала.

Интересные наблюдения за поведением кремнезёма при выбросах пароводяной смеси из фонтанирующих скважин свидетельствуют, что дисперсный кремнезём, образующийся в шлейфах пароводяных струй, рассеивается ветром на большие расстояния и может попадать в места обитания людей и животных (автомобили и в открытые окна жилищ) и, несомненно, повреждать лёгкие. О том, какой ущерб аэрозоли кремнезёма наносят окружающей растительности, мы уже описывали в начале раздела. Примеров такого воздействия на окружающую среду кремнекислоты, содержащейся в парогидротермах достаточно много (Паужетка, Мутновское месторождение, Вайракей и ряд других). Эта проблема обсуждалась в связи с эксплуатацией высокотемпературной гидротермальной системы Эль Сальвадор, где гидротермальные скважины находились среди кофейных плантаций. Считается, что ущерб этого типа обычно ограничивается небольшими площадками и должен приниматься в качестве неизбежных издержек эксплуатации геотермальных энергоносителей.

Важной проблемой, связанной с развитием геотермальной энергетики, является проседание земной поверхности. Извлечение больших объёмов гидротерм из недр высокотемпературных геотермальных систем с жидким теплоносителем (водой) приводит к образованию в напорном водоносном комплексе (горизонте), так называемой “депрессионной воронки”. Образно говоря, образуется зона пониженного гидростатического давления, в которой часть порового (трещинного) пространства, или не заполнена водой (зона аэрации), или же заполнена низкопараметрическим паром в смеси с некондесируемыми газами (СО₂, Н₂S). В этой части месторождения происходит уплотнение пород (уменьшение свободного пространства), что проявляется в некоторых событиях, таких как наклон земной поверхности (проседание), которое сопровождается формированием зон напряжения в энергетическом оборудовании и возможными механическими его повреждениями. Хотя следует отметить, что большие дифференцированные подвижки в практике эксплуатации геотермальных месторождений редки. Наблюдались вертикальные смещения до 4.5 м в течение 10 лет на Вайракее и на 6 м после 1962 года. Кроме того, там же фиксировались горизонтальные подвижки до 0.225 м в течение 8 лет, в зоне максимального опускания, где производился наибольший отбор гидротерм. Ущерб от этих движений земной поверхности выразился в появлении трещин в дренажном канале, проходящем от Вайракейской ГеоТЭС к ручью Вайракей. Сама станция находится на значительном удалении от района максимального опускания. Геотермальные системы, где извлекается энергоноситель в виде сухого пара, не восприимчивы к такому воздействию отбора паротерм из недр.

На геотермальных системах, где извлекается жидкий теплоноситель, необходимо вести тщательные геофизические наблюдения. Вполне приемлемым методом формирования депрессионной воронки является повторяющаяся гравиметрическая съёмка. Имеется опасность, что иногда продолжительные откачки гидротерм из водоносных комплексов могут спровоцировать землетрясения, в особенности во время закачки отработанных вод в зоны сильных напряжённых сдвигов, где могут быть большие перепады температур. Эта опасность реальна, поскольку все эксплуатируемые гидротермальные системы обычно находятся в районах сейсмотектонически активных. Такие события происходили в Колорадо, где довольно сильные сейсмические толчки наводились в результате закачки промышленных сточных вод. Наоборот, отбор гидротерм из водоносного горизонта (комплекса) может снизить опасный уровень сейсмической активности. В Италии был проведён контролируемый эксперимент. В течение 40 дней, до и во время закачки, отработанных гидротерм (реинжекция) производились тщательные сейсмические и микросейсмические измерения. Никаких событий не наблюдалось.

В другом случае, когда извлекалось тепло нагретых горных пород путём закачки холодной воды в искусственные трещины, происходили сейсмические события.

В связи в вышеприведенным описанием процессов, вызванных массированной откачкой геотермального энергоносителя, высказываются предположения, что в отдалённом будущем, когда этим процессом будут охвачены глубокие недра геотермальных систем и влияние процессов эксплуатации геотермальных ресурсов распространится на большие глубины, не исключено возникновение ситуаций, которые могут спровоцировать и сильные разрушительные землетрясения. Неконтролируемый отбор геотермального тепла, несомненно, приведёт к понижению средней температуры земной коры, что нарушит сложившуюся равновесную тепловую систему. Эти нарушения приведут к перестройке системы напряжений в земной коре, что чревато непредсказуемыми последствиями. Несмотря на то, что это долговременная проблема, необходимо тщательное её изучение.

В практике эксплуатации геотермальных электростанций, которые используют охлаждающие башни (градирни), отмечается образование туманов из этих градирен. Более серьёзное влияние могут оказывать большие объёмы выбросов пара и воды из глушителей и из регуляторов расхода пара, которые издают раздражающий шум, такие как, например, установлены на Камчатке. В результате этих выбросов может образоваться туман.

И всё-таки, несмотря на выше описанное, порой негативное, воздействие развития геотермальной энергетики на окружающую среду, возможна рукотворная взаимосвязь инженерных работ с природными поверхностными термальными проявлениями. Этим разработкам уделяется особое внимание при развитии геотермальной энергетики в Японии (Tokita et al., 2000). Японские разработчики геотермальных программ придают этому аспекту большое значение, так как места освоения геотермальных ресурсов в Японии, как правило, являются местами паломничества многочисленных жителей данной местности и объектами поклонения. Поэтому важнейшим условием использования геотермальных ресурсов в энергетических целях является сохранение первозданных термальных проявлений и прогноз влияния эксплуатации геотермальных электростанций на близко расположенные горячие источники. Для взаимопонимания, сотрудничества и согласия между энергетиками и владельцами горячих источников, а также экологов, проводятся мониторинг (слежение) окружающей среды и мероприятия по сохранению горячих источников, основанные на научных исследованиях, обязательных в Японии. Фонд по Новым энергиям разработал метод прогноза влияния эксплуатации геотермальных ресурсов на горячие источники путём применения и модификации методов, используемых в геологоразведке, геохимических исследованиях и резервуарной инженерии. Процедура состоит из двух стадий. В первую стадию, основанную на крупномасштабной концептуальной модели, исходя из структурных позиций геотермальной системы, качественно оценивается взаимосвязь горячих источников и водоносного геотермального горизонта (комплекса, резервуара). С этой целью проводится геолого-структурный анализ и генезис гидротерм, который определяется по геохимическим данным. Во-вторых, производится числовое моделирование влияния эксплуатации геотермального резервуара на режим горячих источников.

Для того чтобы гарантировать надёжность метода прогноза, проводились контрольные исследования на моделях двух хорошо изученных геотермальных полях: Вайракейской в Н. Зеландии и Палинпион на Филиппинах. Оба поля испытали понижение гидростатических уровней и изменения химических составов гидротерм в окружающих горячих источниках после начала эксплуатации. В результате этих контрольных исследований были разработаны концептуальная и числовая модели резервуаров, включающие горячие источники, с использованием ограниченной информации, полученной лишь во время стадии эксперимента. Затем были предсказаны возможные, выше упомянутые, изменения в окружающих горячих источниках после эксплуатации геотермальных ресурсов. Авторы исследовали, как в стадию качественной, так и в стадию количественного прогноза, тенденцию реальных изменений в горячих источниках, которые означали, что метод прогноза эффективен. Базируясь на контрольных исследованиях, было установлено два типа горячих источников: связанных и несвязанных с данным водовмещающим комплексом. Предполагается, что этот метод прогноза будет содействовать охране окружающей среды во время эксплуатации геотермальных ресурсов.
4.2 Закачка использованных гидротерм (реинжекция).
Закачка использованных гидротерм (в дальнейшем реинжекция) обратно в эксплуатируемый геотермальный горизонт в настоящее время является широко распространённым мероприятием, используемым при эксплуатации подземных гидротерм. Сама по себе реинжекция не представляет технических трудностей, в особенности, если гидростатический уровень напорных гидротерм находится существенно ниже дневной поверхности. Процедура не требует какого-либо специального высокотехнологичного и дорогостоящего оборудования. Основные финансовые расходы связаны с бурением скважин по контуру геотермального резервуара. Как правило, во время геологоразведочного и поискового бурения часть скважин оказывается непродуктивными и, некоторые из них могут быть использованы в качестве реинжекционных.

Реинжекция отработанных гидротерм в настоящее время имеет практическую значимость и решает ряд проблем, описанных в предыдущем разделе этой главы. Вместе с тем эта процедура порождает ряд новых проблем. Таким образом, сочетание положительного и негативного эффектов этой технологии является важным элементом в освоении геотермальной энергии.

Несомненно, вызывают опасение большие инъекции остывших отработанных гидротерм в эксплуатируемый резервуар, так как несбалансированная закачка слишком охлаждённых гидротерм может снизить параметры извлекаемого теплоносителя и тем самым повлиять на снижение снимаемой тепловой энергии. Важным является баланс давлений, производимого на закачиваемую жидкость и пластового давления, что может привести к полному “задавливанию” эксплуатируемых гидротерм. Несомненно, необходимо исследовать процесс изменения проницаемости продуктивного горизонта в результате отложения минеральных новообразований. Существенной проблемой может быть появление поверхностных выходов реинжектируемых гидротерм, которые будут загрязнять окружающую местность. Одним из важных моментов в процессе закачки отработанных гидротерм является вероятность тридгеринга сейсмических событий. Проблемы реинжекции были поставлены на Геотермальном симпозиуме ООН в Пизе в 1970 году, как заслуживающие внимания. В 1975 г в Сан-Франциско на аналогичном симпозиуме были проведены важные количественные данные. Эти материалы позволили сделать вывод, что реинжекция часто могла быть превосходным решением экологических проблем в освоении геотермальных ресурсов. Однако и здесь имеются ограничения использования этого способа.

Einarsson et al. (Christopher, Armstead, 1975) описали успешные опыты, проведённые на геотермальном поле Ахиачапан в Сальвадоре, где наиболее серьёзная проблема ликвидации бороносных терм была решена реинжекцией. Во время эксперимента 2 млн. м³ гидротерм с температурой 153⁰С было закачано в скважину глубиной 952 м с расходом 164 л/с без насоса (водоносный горизонт обладает высокой проницаемостью), только самотёком за счёт силы гравитации и давления пара, выделявшегося при кипении гидротерм. При этом не отмечалось образование отложений и какого-либо заметного взаимодействия закачиваемых гидротерм с гидротермами в пласте. Эти авторы считают, что наиболее рациональная глубина реижекционных скважин должна быть 1.5 км и более, по крайней мере, в условиях, аналогичным условиям поля Ахиачапан. Общая цена реинжекции в этом месте оценивалась ~ в 1 тысячную долю американского доллара на 1 киловатт час.

Kubota, Aosaki (Сhristopher, Armstead, 1975) описали результаты закачки 8 млн. т гидротерм в водовмещающий комплекс гидротермального месторождения Отаке в Японии в 1972 г через три реинжекционные скважины. Скорость закачки составила примерно 400т/час. Этот расход позволяет избегать теплового и химич6еского загрязнения окружающей местности. Реижекционные скважины находились от продуктивных на удалении 150-800 м. Снижение температуры извлекаемых гидротерм или расходов продуктивных скважин не наблюдалось и не было никаких-либо сейсмических событий. Даже более того, авторы отмечают улучшение эксплуатационных параметров продуктивных скважин. Общая мощность электростанции увеличивалась до 11 МВТ (по сравнению с 8.7 МВТ) после начала реинжекции. Отложение кремнезёма было негативным процессом на стенках реинжекционных скважин (и возможно в близко расположенных трещинах), который повлиял на реинжекционную производительность этих скважин.