И экологические риски геотермальной энергетики

Дальневосточное отделение

ИНСТИТУТ ВУЛКАНОЛОГИИ
КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Белоусов В.И., Белоусова С.П.

И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ

ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ


Издательство КГПУ

Петропавловск-Камчатский

2002
КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Научно-исследовательский институт геологии, геофизики и экологии Камчатки

Дальневосточное отделение

ИНСТИТУТ ВУЛКАНОЛОГИИ

Белоусов В.И., Белоусова С.П.

И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ РИСКИ

ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Ответственный редактор

И.Ф.Делемень

Издательство Камчатского государственного педагогического университета
Петропавловск-Камчатский

2002

Утверждено к печати Ученым советом КГПУ.

Использование материалов, приведенных в работе, позволит оценивать опасные вулканические процессы, такие, например, как гравитационные обрушения вулканических построек, которые сопровождаются гигантскими извержениями аналогичными извержениям вулканов Безымянного на Камчатке и Сан Хеленс в США.

Значительная часть работы посвящена экологическим рискам, связанным с эксплуатацией геотермальных ресурсов, и способов экологически приемлемой их разработки.

Работа выполнена по программе и при финансовой поддержке гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ (проект № 00-15-98609 по поддержке ведущей научной школы академика РАН С.А.Федотова «Изучение современного вулканизма и сейсмичности, связанных с ними процессов, их механизма и закономерностей, прогноз землетрясений и извержений»).

Издание книги осуществлено при финансовой поддержке Экологического фонда Камчатской области.

В.И.Белоусов

С.П. Белоусова

Предисловие 4
Введение 6

Глава 1. Объекты использования глубинного тепла Земли 12

1. 
   Общие сведения.
   
2. 
   Геолого-тектонические позиции геотермальных систем и их соотношение с магматизмом.
   
3. 
   Предположение о происхождении и механизме функционирования корового источника тепла в гидротермально-магматических конвективных системах.
   
4. 
   Поверхностные термопроявления современных гидротермаль-
   

энергии в субповерхностных условиях. Тепловые экраны.

1. 
   Использование геотермальной энергии в народном хозяйстве.(диаграмма Линдела).
   
2. 
   Использование геотермальных ресурсов в России.
   
3. 
   Экономические особенности использования геотермальной энергии.
   

4. 
   Итоги первого этапа реализации геотермальных программ
   

3.1 Геотермальная энергетика Италии.

3.2. Геотермальная энергетика в США.

3.3. Проблемы использования геотермальных ресурсов в Новой Зеландии.

3.4 Гидротермальная энергетика в Японии.

3.5 Современное состояние и перспективы развития геотермальной энергетики в Мексике, на Филиппинах, в Индонезии и Исландии.

4.1 Обзор экологически вредных способов решения проблемы энергетики и охраны окружающей среды.

4.2 Закачка использованных гидротерм (реинжекция).

43 Рекультивация.

4.4 Формирование эталонных особо охраняемых природных геотермальных ландшафтов и геотермальных систем.

4.5 Строительство малых геотермальных станций.

4.6 Формирование системы рекреационных зон.

Заключение 122

Список литературы 124

Предисловие
Проблема использования глубинного тепла Земли, где оно проявлялось на поверхности, вероятно, возникла на заре развития человеческой цивилизации. Промышленное освоение геотермальной энергии началось в Италии в начале ХХ века. Здесь был получен первый опыт воздействия цивилизованного человека на окружающую среду, обусловленную вулканической и гидротермальной деятельностью, который своим происхождением непосредственно обязан глубинным геологическим процессам.

Важной особенностью этого источника энергии является небольшая удаленность его от места потребления. Все другие виды энергетических источников обычно разделены большими расстояниями от потребителя, и поэтому люди, использующие, например, уголь, нефть, газ, дрова, торф, для получения энергии, необходимой для их жизнедеятельности, не могут наблюдать, что происходит с природой при добыче этих источников энергии. Изменения окружающей среды, которые вызваны процессом получения энергетического сырья для электростанций и систем отопления в местах их проживания, не влияют на их моральные и нравственные мотивы поведения, которые вызывали бы тревогу за среду обитания. Информация, получаемая из средств массовой информации, не может воздействовать на чувственное восприятие конкретного человека, так ярко, как это происходит при непосредственном контакте с результатами промышленной добычи органических видов топлив. Москвич, который максимально пользуется благами, получаемыми от использования газа Сибири, никогда не воспринимает так остро, как местные манси и остяки и даже приезжие строители и газодобытчики, те нарушения природных процессов в долине реки Оби и её притоков, которые связаны с промышленным освоением этого края.

По иному реагируют на использование геотермальных ресурсов в энергетических целях люди, живущие вблизи вулканов и термальных источников. Они в течение своего проживания, возможно с детства, не только наблюдали конкретный горячий источник, но даже использовали в бытовых, бальнеологических или эстетических целях термальными водами естественных термопроявлений. Когда же были пробурены скважины, которые извлекают пар и горячую воду для теплиц, нагрева жилых помещений, для геотермальной электростанции, этот источник исчез. На его месте образовалась струйка пара, отложения гейзерита разрушились, а на их месте образовалась площадка красных глин. На удалении 2-3 км от бывшего источника с экзотическим гейзерным режимом извержения кипящих гидротерм, где была небольшая парящая площадка, сложенная сверху красными глинами, а на глубине синими глинами с золотистыми кристаллами пирита, образовалось большое геотермальное поле, изрытое глубокими ямами, заполненными булькающей глиной. Это все непривычно местному жителю и естественно, действует на него удручающе, так как он не видит прежнего образа своей «малой родины».

С точки зрения эволюции причин, породивших эти термальные источники, вообщем-то в природе ничего необычного не произошло. Источники обязаны своим появлением на земной поверхности соотношению горизонтов подземных вод, обусловленному геологическим строением данного участка, и профилю рельефа этого участка. При наличии глубоких каньонообразных долин рек и ручьев, уровень в которых тесно сопряжен с водоносными горизонтами, подземные воды обычно выходят на поверхность в виде струй-источников. Как известно, рельеф быстро изменяется, в особенности, в гористой местности, где эрозионная деятельность поверхностных водотоков энергична. В результате углубления их русел уровень разгрузки подземных вод понижается, следуя за уровнем воды в водотоках. Исчезают старые термальные источники, расположенные на относительно высоких отметках рельефа, появляются новые. Изменяется режим извержения гейзеров. Пульсации в старых гейзерах становятся реже, а со временем совсем прекращается истечение гидротерм. Перестают образовываться отложения гейзеритов и травертинов. Обильные дожди или сильное снеготаяние, вызванные очередным циклоном или извержением рядом расположенного вулкана, этот процесс эрозии ускоряют или замедляют и порой приводят к полной перестройке структуры поверхностной разгрузки подземных термальных вод.

Таким образом, можно сделать вывод, что характер изменений, вызванных эволюционными или революционными природными процессами, почти ничем не отличается от изменений вызванных деятельность человека, связанных с эксплуатацией геотермальных ресурсов. По нашему мнению, геотермальная экология и проблемы, связанные с влиянием на неё геотермальной энергетики, в значительной степени требует философского обсуждения.

Для того чтобы перейти к философским обсуждениям, на наш взгляд, целесообразно провести аналитические исследования опыта использования геотермальных ресурсов, накопленного со времени начала включения этого вида энергии в сферу промышленного освоения. Предлагаемый материал в этой книге преследует цель информировать ученых, промышленников, общественных и политических деятелей, преподавателей учебных заведений, студентов и учащихся, а также любознательных обывателей о достижениях научно-исследовательских и промышленных работ, а также о разноплановых проблемах геотермальной энергетики, и создать основу для последующих этапов её освоения в рамках развития человеческой цивилизации.

Введение
Реальные потребности развития цивилизации на Земле обусловлены непрерывным прогрессом в наращивании энергетической вооруженности, что сопровождается постоянным увеличением энергетических мощностей, которые требуют поиска новых источников энергии. Пока проекты освоения практически неисчерпаемых, энергетических ресурсов не нашли своего решения, человечество, в силу своей исключительной особенности развития, не может остановиться на достигнутом этапе прогресса и оно будет вынуждено пользоваться теми энергетическими ресурсами, которые доступны для освоения и реализации с точки зрения современного уровня экономического развития.

Опасная зависимость общества от минеральных и энергетических ресурсов особенно обострилась на Камчатке в последние годы. В западном мире с этой проблемой столкнулись в 70-х годах ХХ века. Это способствовало росту сознания необходимости оценки не только их количества, которое может производиться при данных экологических условиях, но также оценки ресурсов ещё не открытых или таких, которые могут производиться по мере совершенствования геологических технологий или при других технико-экономических условиях. Более широкая оценка будущего снабжения минеральными и энергетическими продуктами геологических или космических процессов была определена термином “ресурсная оценка”.

Во второй половине ХХ века стало очевидно, что используемые источники энергии или ограничены в своих ресурсах, или же опасны при своём использовании, в особенности, в областях современной сейсмической и вулканической активизации. Кроме того, они распределены неравномерно и могут принести существенный вред среде обитания биоценозов или при их добыче, или при транспортировке. Зависимость многих стран и отдалённых регионов, в такой большой стране, как Россия, от импортируемого топлива даёт толчок действиям Правительств, руководителям регионов и промышленников к поиску иных источников энергии и к разработке технологий в реализации новых источников энергии. В первую очередь проявился такой интерес, как на национальном уровне, так и на международном, к разработке геотехнологических решений в использовании геотермальной энергетике.

В 1961 году в Риме под эгидой ЮНЕСКО состоялась Международная Конференция по новым источникам энергии (геотермия, энергия солнца, ветровая, биологические отходы и т.д.). Наибольшее количество докладов было представлено по проблеме геотермальной энергетики, в том числе было сделано два доклада от СССР. В этот период уже велись буровые геологоразведочные работы на Паужетских горячих источниках на юге Камчатки. Первая роторная 800 метровая скважина и ряд не глубоких скважин колонкового бурения позволяли дать первые оценки геотермальных ресурсов разведанного участка (северо-западный склон Камбального хребта), которые были достаточны для строительства опытно-промышленной геотермальной электростанции, мощностью до 5 Мвт.

Ко времени проведения Конференции в Риме по новым источникам энергии только в 3-х странах были построены и входили в разряд действующих три ГеоТЭС: две, работавшие на паровых геотермальных системах (Лардерелло в Италии и Гейзеры Калифорнии в США), и одна (Вайракей, в Новой Зеландии), работающая на высокотемпературной гидротермальная системе. В последней из скважин получали пароводяную смесь, подававшуюся на сепараторы, где происходило разделение на пар и воду. На Вайракейской системе пар по трубопроводам поступал на турбины, после прохождения которых, он конденсировался холодной водой, и жидкие гидротермы после сепаратора по каналу сбрасывались в ручей Вайракей и далее в реку Вайкато. На паровых системах получали перегретый пар прямо из скважин и подавали его на турбины.

Для более глубокого использования этого пара, он после турбины поступал в конденсаторы, которые располагались в специальных воздухообменных сооружениях (градирнях) (рис.1).

Мощность ГеоТЭС в Лардерелло к тому времени составляла 220 Мвт, Вайракей ~110 мвт и на Гейзерах Калифорнии работала 12 мвт пилотная ГеоТЭС. Таким образом, в мировой геотермике определились лидеры, которые и задавали тон развитию этой отрасли энергетики.

Удачное взаимодействие академических исследований и геологов производственников, обусловленное специальным решением Правительства СССР, обеспечило быстрое решение всех научных геолого-энерготехнологических исследовательских проблем и реализацию результатов этих работ.

Паужетская ГеоТЭС была введена в строй в 1967 году с установленной мощностью 3мвт. В последующем, специальным решением Министерства газовой промышленности на основании научных материалов первого этапа изучения Паужетской гидротермальной системы было пробурены несколько эксплуатационно-разведочных геотермальных скважин, энергетическая мощность которых, позволила довести мощность Паужетской ГеоТЭС до проектного уровня 5 мвт. В последующем были проведены исследования на северо-западном склоне Камбального хребта и выведены дополнительные геотермальные ресурсы, достаточные для расширения Паужетской Гео ТЭС до 20-25 МВТ. Однако, идея передачи энергии этой станции на рыбокомбинат Озерновский и п. Усть-Большерецк не нашла поддержки.

После прекращения Камчатским геологическим управлением Министерства геологии РСФСР разведочных работ на Паужетке тесное сотрудничество с АН СССР также было прервано и были предприняты без достаточной научно-исследовательской и геотехнологической проработки интенсивные, в основном, геологоразведочные работы на Больше банной высокотемпературной гидротермальной системе (120 км от Петропавловска-Камчатского). Во время буровых работ были встречены не преодолимые в то время трудности (не контролируемые выбросы мощных струй парогазоводяной смеси, зарастание скважин минеральными отложениями) и вскоре эти работы были завершены, не достигнув практического результата. Более успешно велись работы по разведке Паратунской низкотемпературной гидротермальной системы, вблизи Петропавловска-Камчатского и посёлка Паратунка. Здесь также не были в полной мере проведены научно-исследовательские и энерготехнологические работы, в связи с чем, объём капитальных затрат не был оптимальным и экономическая выгодность использования геотермальной энергии подвергалась сомнению.

Постоянные попытки геотермальных специалистов Института вулканологии АН СССР побудить геологов и энергетиков к постановке системных научно-исследовательских и геолого-энерготехнологических работ наталкивались на упорное противодействие, обусловленное эйфорией нефтяного, газового и атомно-энергетического бумов. В качестве “отступного”, когда стало ясно, что атомную электростанцию вблизи Петропавловска по сейсмотектонической ситуации строить нельзя, Минэнерго СССР (по инициативе заместителя начальника Камчатэнерго Колосова В.М.) выделило сумму в 50 млн. рублей на разведку Мутновской высокотемпературной гидротермальной системы. При реализации этого проекта, как и прежде, научно-исследовательские и геолого-энергетические работы проводились по принципу “крайней необходимости”, когда геологи сталкивались с очередной непреодолимой проблемой. Итогом этих мучительно затянувшихся работ явилась Мутновская ГеоТЭС, мощностью только 12 МВТ.(Рис.2)


Поводя итог краткому историческому обзору исследований геотермальных ресурсов на Камчатке, можно констатировать, что эта задача на сегодняшний день в достаточной мере не решена. Выход из этой ситуации один - использовать опыт зарубежных стран и начать с подготовки и реализации программы исследований и использования гидротермальных систем на Камчатке, которой придать статус Федеральной.

Современное состояние геотермальной энергетики в мире. После длительного единоличного лидерства в геотермальной энергетике Италии, где была построена на высокотемпературной гидротермальной системе Лардерелло Гео ТЭС на 250 МВТ, в 1957 году в Новой Зеландии, в Вайракее начала работать Гео ТЭС, мощность которой в последствии колебалась от 190 МВТ до 147 МВТ. В 1960 году в США на Гейзерах Калифорнии вошла в строй 12 мегаваттная ГеоТЭС. В это время начинаются усиленные поиски альтернативных источников энергии (солнца, ветра, гидротерм и др.), из которых приоритетным была геотермальная энергия. Энтузиазм освоения энергии земных недр сопровождался усилением научных исследований, а также разработкой технологий выбора мест бурения геотермальных скважин, усовершенствования конструкции как подземного, так и наземного оборудования, отработки технологических процессов отбора тепла из низкой и высокотемпературных гидротермальных систем и из сухих нагретых горных пород. В конце 70-х годов решаются проблемы оценки тепловых ресурсов различного типа геотермальных систем и создания их моделей и программного обеспечения ЭВМ.

В настоящее время существует комплекс методов и способов оптимального объёма научно-исследовательских, поисковых, разведочных и эксплуатационных работ, который применяется при освоении энергетических ресурсов современных геотермальных (сюда включены не только разнообразные гидротермальные системы, но и системы нагретых твёрдых пород и геопресные системы - геотермальные системы, находящиеся под большим давлением в нефтегазовых месторождениях). Одновременно получила развитие система подготовки кадров геотермальных геологов. Результаты этих достижений приводятся в таблице 1.

Таблица 1

Установленная энергетическая мощность Гео ТЭС

по странам и годам.

Год Страна	1990	1995	1998
Аргентина *	0.67	0.67	0.0
Австралия	0.0	0.17	0.4
Китай	19.2	28.78	32.0
Коста-Рика	0	55.0	120.0
Сальвадор	95.0	105.0	105.0
Франция (Гваделупа)	4.2	4.2	4.2
Греция*	0	0	0
Гватемала	0	0	5.0
Исландия	44.6	49.4	140.0
Индонезия	144.75	309.75	589.5
Италия	545.00	631.70	768.5
Япония	214.60	413.7	530.0
Кения	45.00	45.0	45.0
Мексика	700.00	753.0	743.0
Новая Зеландия	283.2	286.0	345.0
Никарагуа	70.00	70.0	70.0
Филиппины	891.00	1191.0	1848.0
Португалия (Азоры)	3.0	5.0	11.0
Россия	11.0	11.0	11.0
Тайланд	0.3	0.3	0.3
Турция	20.4	20.4	20.4
США	2774.6	2816.7	2850.0
Общая	5866.72	6796.98	8240.0

• 
  В Аргентине и Греции пилотные станции.
  

После энергетического кризиса 70-х годов исследование и освоение геотермальных ресурсов получило дополнительный импульс. В развитых странах геотермальные исследования проводились на постоянной основе. Так, например, в США была принята 10 летняя программа по изучению объектов, которые в какой-либо степени могут быть источником подземного тепла. В сферу внимания вовлекались все поверхностные термопроявления, как действующие в настоящее время, так и в недалёком прошлом (четвертичный период), вулканы, зоны андезитового вулканизма, зоны поверхностного гидротермального изменения пород на вулканах и сопряжённых с ними структурах, термальных аномалий в недрах потухших вулканов и нефтегазовых месторождений.

Анализ, приведённой выше таблицы, позволяет сделать вполне определённый вывод об экономической целесообразности использования геотермальных ресурсов при наличии других энергетических источников. Аргументы, что геотермальный теплоноситель экономически не конкурентоспособен с другими видами энергетических источников, являются неправомочными. Несостоятельность такой аргументации состоит в том, что места добычи природного газа удалены от населенных пунктов на многие километры и, например, для того, чтобы доставить газ к электростанциям города Петропавловска-Камчатского необходимо проложить большой протяженности газопроводы, сжечь газ в котельных, получить пар и передать его на турбину.

У геотермальных электростанций процесс получения пара происходит в недрах Земле. Учитывая дороговизну строительства тепловых электростанций города Петропавловска-Камчатского в зоне сильных землетрясений (9 баллов по 12 – бальной шкале), и вероятность их полного разрушения будет сопровождаться непредсказуемыми трагическими последствиями, также свидетельствует о преимуществе этого типа энергетического источника. Кроме того, в пользу использования геотермальной энергии служат интенсивные работы по этой проблеме таких нефтегазодобывающих стран, как Мексика, Индонезия и Новая Зеландия. Страны, с развитой рыночной экономикой, как США, Италия и Япония также наращивают мощности геотермальных электростанций. Германия и Франция реализуют совместный проект по использованию сухих нагретых горных пород в Рейнском грабене, хотя эти страны располагаются вдали от вулканических районов. Таким образом, экономическая целесообразность должна рассчитываться с особой тщательностью.