И экологические риски геотермальной энергетики

Грингартен и Саути (Christopher, Armstead, 1975) описали эксплуатацию отопительных систем с обычными температурными градиентами во Франции. Здесь поверхностный излив отработанных гидротерм также приводил к химическому и тепловому загрязнению. Реинжекция решила эти проблемы и в то же время дала возможность поддерживать давление в пласте и ограничить опускание поверхности в месте извлечения гидротерм, а также обеспечить возврат как воды, так и тепла. Однако поскольку тепло непрерывно извлекается из водоносного комплекса, то должно происходить истощение эксплуатационной зоны. В связи с этим необходимо определить оптимальное расстояние между продуктивными и реинжекционными скважинами, чтобы продлить максимальную эксплуатационную жизнь продуктивной зоны. Авторы исследовали эту проблему с помощью математических методов и определили свойства водовмещающего комплекса, вывели серию кривых, показывающих ряд лет, в течение которых реинжектированные гидротермы могу достичь продуктивных скважин, и определили ожидаемую скорость уменьшения температуры с течением времени.

Частин (Christopher, Armstead, 1975) описал опыты по реинжекции на трёх геотермальных полях США. Этот автор считает, что целью реинжекции является частично восстановление теплопотерь, вызванных эксплуатацией и частично, размещение отработанных гидротерм или избыточного конденсата способом, который позволяет избежать загрязнения поверхностных вод. Реинжекция проводилась и проводится на Гейзерах и в Империал Вэлли в Калифорнии, а также на Кальдере Воллес в Нью Мексико. На пародоминирующем поле Гейзерс с 1969 по 1975 годы было закачено 4.2 х 10⁹ галлонов жидких отходов. При установленной мощности ГеоТЭС 500 МВт, 4.7 млн. американских галлонов закачивалось ежедневно. Жидкость содержала аммонит, бор и некоторые суспензии твёрдых веществ. Поток отработанных гидротерм направляется в бетонные танки для отстоя нерастворённых веществ, а затем они распределяются в шесть реинжекционных скважин. Эти скважины ранее были продуктивными и давали энергетический пар. После исчерпания ресурсов пара в них произошло понижение гидростатического уровня эксплуатируемого водоносного горизонта и температуры глубинных гидротерм. Об этом свидетельствует тот факт, что гидротермы сливаются в реинжекционные скважины без употребления насосов, а только за счёт силы гравитации. Реижекционные скважины по возможности удалены от эксплуатационного участка и имеют глубину, большую, чем продуктивные скважины (до 1600 м) В течение пяти лет взаимодействия между реинжекционными и эксплуатируемыми термами не было взаимодействия. Некоторые трудности в проведении эксперимента были связаны с уменьшением скорости закачки, вызванными зарастанием зоны трещиноватости самородной серой, но они были преодолены путём герметизации скважины, что привело к повышению температуры. Поскольку температура плавления серы оказалась ниже температуры гидротерм, то она расплавлялась и удалялась. Слежение за сейсмичностью и опусканием эксплуатационного участка показали, что ни сейсмичные события, ни деформация на геотермальном поле Гейзерс не происходили. Геотермальные системы Кальдеры Воллес и Империал Вэлли в своих недрах имеют преимущественно жидкие гидротермы. 100 млн. американских галлонов было закачено в течение года в первой системе и 126 млн. американских галлонов в течение 1964-65 г.г. во втором случае. Гидростатическое давление на оголовках скважин в Империал Вэлли было достаточно высоким. В связи с этим закачка производилась насосами, но в дальнейшем в результате охлаждения гидротерм произошло понижение гидростатического уровня гидротерм в реинжекционных скважинах. Закачка производилась сливом за счёт силы тяжести гидротерм. Скорость закачки в Империал Вэлли составила 600 американских галлонов в минуту. Также успешно реинжекция проводилась на Лардерелло в Италии.

Следует отметить, что, как показала практика, использование реинжекции в качестве способа, который обеспечивает непротиворечивость применения геотермальных ресурсов для целей энергетики, требуется его совершенствование и индивидуальные решения при проектировании конкретного объекта на геотермальном месторождении. Ярким примером этого является образование наростов кремнезёма на стенках реинжекционных скважин. В некоторых случаях скорость кальматации зон трещиноватости и зарастание обсадочных труб конструкции скважин может быть достаточно высокой, в результате чего происходит быстрое снижение скорости закачки отработанных гидротерм, пересыщенных по отношению к аморфному кремнезёму. Это приводит к удорожанию процесса ликвидации отработанных гидротерм. В настоящее время, чтобы избежать зарастание конструкций скважин кремнезёмом, рекомендуется закачивать отработанные гидротермы с температурой не ниже 140-150⁰С.

Важным моментом в разработке геотермальных проектов является определение оптимальных расстояний между продуктивными и реинжекционными скважинами. Кроме того, необходимо исследовать проблему оптимально выбора глубины бурения реинжекционных скважин. Предполагается, что при большей глубине этих скважин можно будет достигать уровней, где находятся сухие горные породы. Закачка остывших отработанных гидротерм на эти уровни геотермальных систем может привести к возникновению глубокой их циркуляции и извлечению тепла из остывающих магматических очагов (интрузий). Несомненно, это перспективный путь освоения геотермальных ресурсов глубоких недр геотермально-магматических систем (см. гл. I).
4.3. Рекультивация.
В последние годы развитие геотермальной энергетики с мощным прессом общественности, внимание которых сосредоточено на экологических проблемах. Как уже отмечалось, в первые годы развития геотермальной энергетики, она считалась экологически непротиворечивой, в связи с чем, мероприятия по охране окружающей среды практически не производились. Однако реальная ситуация оказалась сложнее. В настоящее время производятся большие работы по изучению геотермальных технологий, которые не только минимизировали бы ущерб, наносимый этой деятельностью, но и создавали бы дополнительные условия для благоустройства геотермальных полей, включённых в систему социально-экономического развития стран, осваивающих этот вид энергии.

Реализация геотермальных проектов повлекла за собой интенсивное развитие инфраструктуры этих районов. Хорошо развитая сеть дорог, строительство гостиниц, возможность использования гидротерм для отдыха, укрепление здоровья, энергообеспечения, улучшения структуры питания за счёт круглогодичного выращивания овощей – всё это позволяет благоустроить ранее мало посещаемые, из-за труднодоступности геотермальные районы, районы активной вулканической деятельности для массового туризма.

Дороги, проложенные геологоразведчиками и строителями, позволяют сегодня посещать многочисленным любителям путешествий и жителям Петропавловска и Елизово, ранее недоступные вулканы Мутновский, Горелый и, естественно ожидать, что в недалёком будущем этот поток людей будет постоянно нарастать.

На наш взгляд, совершенно очевидно, что уже сейчас требуется проведение соответствующих мероприятий по благоустройству района развития геотермальной энергетики в окрестностях вулканов Мутновского, Горелого и Жировского. Это должно быть заботой местных властей, которым необходимо иметь проекты по благоустройству дорог, мест отдыха, развлечений и многих других действий, которые трудно предусмотреть в нашем коротком обзоре.

Однако нам представляется целесообразным учесть ряд особенностей освоения геотермальных ресурсов и при составлении программ и разработке проектов по благоустройству геотермальных районов Камчатки, а, в особенности, вблизи городов Петропавловска и Елизово и включить в программу ряда мероприятий. Так, например, при бурении геолого-разведочных и эксплуатационных скважин по геолого-гидрогеологическим, или по техническим причинам может выбрасываться пароводяная смесь в гейзерном режиме со всеми признаками, характерными для природных гейзеров (Паужетские горячие воды, 1965). Как правило, такие термы имеют в своём химическом составе растворённый кремнезём. Когда гидротермы из фонтанов охлаждаются и в виде капель, содержащих пересыщенные концентрации кремнекислоты в виде суспензий, падают на окружающие породы, то этот кремнезём отлагается в виде корочек аморфного кремнезёма, который называют гейзеритом. Во время стадии самоизлива гидротерм из устья скважин образуются ручьи, в которых при быстром охлаждении отлагаются гейзериты. Таким образом, специально оформленные фонтанирующие в гейзерном или пульсирующем режиме скважины могут имитировать природные гейзеры, которые являются весьма редким экзотическим феноменом. Создание искусственной “долины Гейзеров” на Мутновском геотермальном поле может привлечь большие группы путешественников. Как правило, такие места массовых посещений, организованные с соответствующим комплексом услуг, являются доходным бизнесом. Привлечение дополнительного финансирования может в значительной степени изменить состояние геотермальных полей Камчатки, которые в настоящее время посещаются неорганизованными (дикими) туристами и результаты таких посещений весьма трагично сказываются на состоянии уникальных памятников природы, связанных с геотермальными полями.

Так, например, в таком беспризорном состоянии находится Больше Банные источники в верховьях реки Банной. Уникальность их очевидна и состоит она в том, что гидротермы этой системы буквально пересыщены углекислым газом. Высокие концентрации углекислоты в этих термах позволяют удерживать в растворённом состоянии, даже при высоких температурах в недрах системы кальций. Но при вскрытии этих глубинных высокотемпературных растворов, при энергичной дегазации СО₂, происходит интенсивное отложение минерала кальцита. Во время бурения скважин и выпуска паро-газовой водяной смеси из них ствол скважины быстро (в течение месяца) зарастает отложениями кальцита. В связи с этим, использование таких гидротерм для энергетических целей значительно удорожает произведённую электрическую и тепловую энергию. Однако в Н.Зеландии, на широко известном геотермальном поле Вайотапу, такие же по составу гидротермы, образуют уникальные по сваей красоте и экзотике поверхностные термопроявления. В результате гидротермального взрыва, который был связан с зарастанием минералами дренирующей трещины, что привело к накоплению тепловой энергии в этом месте и последующему парогазообразованию, образовалась глубокая воронка, расширенная к поверхности. Она заполнена гидротермами с температурой 73⁰С (озеро Шампанское). Поскольку эта температура гидротерм не достигает точки кипения при атмосферном давлении, то этот источник не превратился в гейзер. Однако выделение углекислого газа происходит, что приводит к появлению массы пузырьков, которые поднимаются из глубины воронкообразного грифона и вода, как бы вскипает, аналогично газированным напиткам. При этом происходят процессы отложения кальцита и кремнезёма. Кремнекислота в этих термах находится в значительной части в виде коллоидной суспензии, которая опалецирует в воде и при отложении на гейзеритах, что придаёт специфическую игру цвета воды и отложений кремнезёма. Вытекающий ручей гидротерм из озера Шампанского проходит по руслу, устланному травертинами в виде характерных террас, на которых образуются ванны, заполненные углекислыми термами. Последние широко используются в бальнеологии.

По нашему мнению, на Больше-Банных источниках можно создать аналогичные искусственные поверхностные термопроявления при относительно небольших затратах.

Одним из важнейших способов рекультвации и окультуривания является создание систем бассейнов, ванн на базе отработанных гидротерм, которые имеют бальнеологические свойства.

Важнейшая роль обустройства мест реализации геотермальных проектов на Камчатке заключается в том, что такие мероприятия, несомненно, ослабят прессинг массового туризма на особо охраняемые уникумы природы, каковыми являются Долина Гейзеров и Кальдера Узон.
4.4. Формирование эталонных, особо охраняемых природных

геотермальных ландшафтов и геотермальных систем.

Конечно, аргументы сторонников промышленного освоения геотермальных ресурсов бьют по самым уязвимым местам в сознании людей. Стремление человечества к прогрессу неистребимая сущность людей. Они обречены на такую деятельность, но наряду с этим у них есть интуитивное чувство самосохранения, которое связано с окружающей средой. Поэтому авторы полагают, что одной из острых экологических проблем в связи с развитием геотермальной энергетики на Камчатке является формирование эталонных, особо охраняемых геотермальных ландшафтов и геотермальных систем. Предполагается, что использование геотермальных ресурсов Камчатки наберёт мощность, в том числе и экспансия их промышленного освоения. Как ясно из настоящей работы, это будет приводить к изменению режимов геотермальных систем. Поскольку на деятельность этих систем оказывают влияние и природные процессы (землетрясения, извержения вулканов, климатические и т. д.), то появится необходимость выделять влияние антропогенного фактора. Проведение мониторинга как на эталонных, так и на эксплуатируемых геотермальных системах, будет наиболее точно определять фактические флуктуации режимов функционирования тех и других геотермальных систем.

Нельзя исключить и особое влияние на человеческую психику дикой природы. Как отметил, всемирно известный учёный – физик, лауреат Нобелевской премии академик Пётр Леонидович Капица, будучи в сентябре 1972 года в Долине Гейзеров на Камчатке, что именно первозданная природа делает человека добрым.
4.5 Строительство малых геотермальных электростанций.
Опыт первых лет освоения геотермальных ресурсов учит, что строительство больших геотермальных электростанций, для которых необходимо создавать сеть протяжённых трубопроводов, занимает значительные площади. Обустройство оголовков продуктивных скважин также связано с большим объёмом земляных работ, которые дополняются строительством дорожной сети на промысловой площадке. Всё это не только удорожает киловатт установленной мощности, но и создаёт экологические проблемы.

В Мексике на геотермальной системе Лос Азуфрес применён способ освоения геотермальных ресурсов строительством малых ГеоТЭС, мощность которых измеряется первыми (~5) мегаваттами. Как правило, на одной или двух, рядом расположенных продуктивных скважинах монтируется турбогенераторный блок комнатной конструкции, который сопряжён непосредственно с сепаратором, который разделяет пароводяную смесь из скважины на пар и воду. Вода по дренажной системе закачивается в ближайшую реинжекционную скважину, а отработанный пар выбрасывается в атмосферу. Производимая электроэнергия подаётся на повышающий трансформатор, после которого по линиям высоковольтной передачи подаётся в общую сеть.

В эксперименте малых ГеоТЭС участвуют 7 турбо-энергоблоков общей мощностью 35 МВт. Кроме того, на этом же геотермальном поле эксплуатируется два блока с бинарным циклом по 1.5МВт каждый и один блок мощностью 50МВт с конденсационной башней.

Малые ГеоТЭС построены в границах национального парка, в котором необходимо было сохранять сосновый лес. Несомненно, в какой-то степени геотермальный проект, в котором использовался способ освоения геотермальных ресурсов малых ГеоТЭС, оправдался. Однако были опасения возможности загрязнения атмосферы неконденсируемыми газами, таких как СО₂ и Н₂S. Комиссия Федерал Электрисидат в 1994 году начала производить мониторинговые исследования на Лос Азуфрес. Было определено, что концентрации в паровой фазе составили СО₂ 340кг/час /МВт, и Н₂S –3 кг/час/МВт. Выделение этих газов турбоэнергетическим блоком в 50 МВт, у которого пар поступал в градирню, было очень незначительным из-за высокой растворимости углекислого газа и сероводорода в конденсате.

В Лос Азуфрес с конца мая 1995 года до конца сентября 1995 года проводилось ежедневное взятие проб дождевой воды. Было отобрано 350 проб в восьми местах. Концентрации SO₄^-2, NO₃^- и Cl^- составили менее 5 ррm, кроме города Морелья в июне. Было установлено по изотопным анализам серы, что сульфаты в дождевую воду г.г. Морелья и Гвадалахара поступают из двух источников, но они не связаны с геотермальной системой ЛосАзуфрес. В результате анализа данных проб и возможных источников загрязнений был сделан вывод, что основные их выбросы связаны с промышленными регионами.

Таким образом, можно считать, что должен быть гибкий подход к реализации проектов развития геотермальной энергетики. Местные условия должны несомненно, учитываться при проработке экологических проблем

Таким примером может служить город Одовара в Японии, массовый туризм которого базируется на геотермальной системе Хаконе. По существу этот город является местом паломничества мирового массового туризма и довольно доходного. Таким местом у нас на Камчатке могут быть долина реки Паратунки и долина реки Озерной и Паужетки. Конечно, главной задачей развития этих зон отдыха является развитая система дорого. Для этой цели необходимо построить систему дорог, которая имела бы форму замкнутых маршрутов.

Так, например, на южной Камчатке могло бы быть два таких маршрутных кольца: Большое маршрутное кольцо (Долина р. Паратунки –вулканы Мутновской группы – вулкан Асача – Ходутка - Ходуткинские источники) – кальдера Ксудач – Курильское озеро (Паужетско-Кошелевский район) – западное побережье Камчатки с выходом на Усть-Большерецк –Петропавловск-Камчатский; Малое маршрутное кольцо (Долина реки Паратунки - Мутновские вулканы - Толмачёв Дол - каскад Толмачёвских ГЭС - Большебанные источники – Петропавловск-Камчатский).

Обустройство необходимо сочетать со строительством спортивных сооружений, связанных с зимними видами отдыха (горные лыжи и т.д.)

На Камчатке, в настоящее время нет геотермальной системы, которая эксплуатировалась бы на полную мощность её ресурсов и поэтому нам приходится опираться на опыт эксплуатации геотермальных систем таких как Вайракейская и Охааки-Бродлэндс в Новой Зеландии, Лардерелло в Италии, гейзерная в США и других. Результаты многолетней работы геотермальных электростанций на этих геотермальных полях показали, что они получают тепловую энергию с больших глубин. Корни геотермальных систем уходят в глубокие недра земной коры, а главный источник теплового питания располагается в мантии. На путях дренирования мантийная тепловая энергия претерпевает разного рода преобразования в связи с изменением условий теплопередачи, но, главным способом теплопередачи является тепломассоперенос. Этот вид теплопередачи реализуется или газоводным или газо-магматическим теплоносителями. В тех случаях, когда происходит смена теплоносителя или способа теплопередачи, происходит накопление геотермальной энергии на разных уровнях земной коры или в виде резервуаров тепловой энергии. Они представляют собой водоносные комплексы, магматические очаги (резервуары), нагретые горные породы (интрузии и вмещающие их сухие горные породы) или образуются метаморфические минеральные комплексы, способные самоокисляться (самовозгораться).

При поступлении последующих порций глубинного высокотемпературного теплоносителя в зоны аккумуляции в земной коре происходит ремобилизация этой запасённой энергии и активизация процессов тепломассопереноса на более высокие уровни земной коры вплоть до выноса больших масс геотермальной энергии в гидросферу и атмосферу.

Процессы тепломассопереноса в областях современного вулканизма, к каковым относится Камчатка, настолько энергонасыщены, что истощение ресурсов тепловой энергии геотермальным системам в результате их эксплуатации не угрожает. Влияние отбора геотермальных ресурсов в этом случае в целом очень незначительно. Основное направление геотермальной энергетики в настоящее время ещё только определяется и его разработка, вероятнее всего, должна реализоваться в опробовании различных технологических решений извлечения геотермального тепла. Представляется целесообразным совершенствовать технологические системы с глубоким использованием природных теплоносителей, как показано диаграммой Линдела. Реинжекция на данном этапе, возможно, является наиболее дешёвым и энергосберегающим способом извлечения глубинного тепла. Одновременно она решает большинство проблем, связанных с охраной окружающей среды.

Авторы полагают, что решение экологических проблем, связанных с развитием геотермальной энергетики Камчатки, находится в начальной стадии сбора и анализа материалов. Представляемое исследование является в некотором смысле пионерской работой, которая должна получить надлежащее развитие в будущем. Мы убеждены, что освоение геотермальных ресурсов Камчатки должно вставать на плановую основу, и может регулироваться развитым региональным законодательством.

Литература

Аверьев В.В. Гидротермальный процесс в вулканических областях и его связь с магматической деятельностью. Современный вулканизм. М., Наука, 1966 С. 118-128.

Белоусов В.И. О роли геологических факторов в процессе становления и деятельности гидротермальных систем в областях современного вулканизма. Вулканизм и геохимия его продуктов М.: Наука, 1967а. С. 42-50.

Белоусов В.И. Роль геолого-структурных факторов в формировании и деятельности гидротермальных систем в современных вулканических областях. Автореф. канд. геол. - мин. наук. г. Петропавловск-Камчатский, 1967 б. 22с.

Белоусов В.И. К вопросу об образовании спекшихся туфов, расположенных в пределах гидротермальных систем. Вулканизм и глубины Земли. М.: Наука, 1971. С.270-276.

Белоусов В.И. Геология геотермальных полей в областях современного вулканизма. М.: Наука, 1978. 174 с.

Белоусов В. И., Сугробов В.М., Геологическая и гидротермическая обстановка геотермальных районов и гидротермальных систем Камчатки. Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток. Дальневост. кн. Изд., 1976. С. 5-22

Белоусов В.И., Сугробов В.М. О соотношении вулканизма и гидротермальной деятельности в гидротермальных районах Камчатки. Вулканизм островных дуг. М.: 1977. С.110-115.

Белоусов В.И., Кожемяка Н.Н., Огородов Н.В., Сугробов В.М. Кислый вулканизм и гидротермальная активность в Паужетском геотермальном районе. Тезисы докладов ХY Генеральной ассамблеи МГГС. М.. Наука, 1971. С.31-32

Белоусов В. И. , Сугробов В. М., Сугробова Н. Г. Геологическое строение и гидрогеологические особенности Паужетской гидротермальной системы. Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток, 1976. С.23-57.