И если гидротермальная энергетика уже нашла широкое применение в энергобалансе многих стран, таких как Филиппины, Исландия или Кения, то петротермальная энергетика еще проходит стадию научных исследований и пилотных проектов. Но уже сейчас понятно, что запасы петротермальной энергии на Земле практически неисчерпаемы. Поэтому, в случае если будут найдены экономически эффективные и простые способы использования петротермальных источников, этот вид энергетики обещает стать наиболее перспективным на фоне мировой «зеленой» повестки, рассказал эксперт «Глобальной энергии» научный руководитель Института теплофизики СО РАН Сергей Алексеенко.
Петротермальные ресурсы (или использование глубинного тепла Земли) представляют собой часть тепловой энергии, которая заключена в практически водонепроницаемых сухих горячих горных породах, расположенных на глубинах 3-10 км. На этой глубине их температура достигает 250- 350 °С.
Практически все проекты использования петротермальной энергетики предполагают, что по нагнетательной скважине холодная вода поступает в подземный резервуар из горячих сухих пород, нагревается, выходит через добычные скважины на поверхность уже сильно горячей или в виде пара, и попадает на электрическую станцию. Из электростанции вода вновь возвращается в нагнетательную скважину, тем самым создавая замкнутую циркуляционную систему.
Первым таким проектом освоения петротермальной энергии стал проект Лос-Аламосской национальной лаборатории США. Он получил название HDR (Hot Dry Rock). Проект выполнялся в местечке Фентон-Хилл в кальдере Валлес в Нью-Мексико в 1973 — 1996 годах. В рамках проекта с помощью гидроразрыва пласта был создан искусственный коллектор из вертикальных трещин в монолитной породе. Подобные гидроразрывы применяют и при добыче нефти, однако расходы воды в геотермальных скважинах должны быть в десятки раз больше, чем при нефтедобыче.
Проект выявил сразу несколько проблем создания подобных станций. Выяснилось, что стандартный способ гидроразрыва давал недостаточное количество трещин, чтобы достичь нужной проницаемости и хорошего теплообмена. Поэтому в последующем ученые пошли по пути создания обширных резервуаров с множеством трещин и естественных дефектов пород. Такие проекты получили название Enhanced Geothermal Systems (EGS) – усовершенствованные геотермальные системы.
Всего на сегодняшний день реализовано около двадцати опытных систем в США, Японии, Великобритании, Франции, Германии и Австралии, которые подтвердили техническую возможность извлечения глубинного тепла с глубин до 5,1 км.
Эти исследования помогли определить минимальные необходимые требования для создания таких станций. Так, глубина скважин должна превышать 3 км; генерируемая мощность — более 3 – 10 МВт; температура в подземном резервуаре — более 250 °C; расход воды — 50 – 100 кг/с; расстояние между скважинами — 0,5 – 2 км; объем подземного резервуара 0,1 – 0,3 куб. км, а срок эксплуатации станции — более 25 лет.
Данные проекты выявили и ряд серьезных технических проблем использования петротермальной энергетики. Среди них: высокая цена бурения, которая может достигать 60% от общих затрат по проекту, неопределенность и малое время жизни скважин, падение температуры со временем, низкий КПД извлечения тепла, составляющий пока 1 — 5% от запаса, необходимость больших объемов воды и ее потери в системе, быстрая коррозия оборудования и другие.
В то же время данные проекты продемонстрировали и значительные преимущества петроэнрегетики, каких нет у других источников энергии. Такие электростанции работают непрерывно и не зависят от времени года или погоды. Петростанции можно устанавливать практически в любой точке Земли, в том числе в местах потребления без значительных затрат на системы хранения энергии. Они не требуют больших площадей, работают по системе замкнутого цикла без выбросов парниковых газов.
Анализ петротермальных ресурсов и потенциальных возможностей их использования в США показал, что на глубинах до 10 км содержится в 130 тысяч раз больше годового потребления энергии США. Даже при низком КПД извлечения в 1,5% ее хватит на 2 000 лет, а для усовершенствованных технологий – на 20 000 лет даже без учета ее возобновления. Мало того, предварительные расчёты показывают, что к 2030 г. возможно достичь нормированной себестоимости электроэнергии (LCOE) таких проектов до 6 центов за кВч. То есть этот показатель является одним из самых низких для энергетического сектора.
Подобные оценки привели к тому, что США в 2019 году запустили специальную программу по развитию петротермальной энергетики – «GeoVision: Harnessing the Heat Beneath Our Feet». Согласно программе, уже к 2050 г. производство электроэнергии петростанциями может достичь 60 ГВт. Это составит 3,7% от общей установленной мощности США в 2050 году, а по производству — 8,5% всей выработки электроэнергии в США. По прямому использованию тепла петроэнрегетика может выйти к 2050 году на уровень 320 ГВт вместо текущих 0,1 ГВт.
Более подробно тема использования геотермальной и петротермальной энергии раскрыта в новом докладе «Глобальной энергии» «10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет».
