ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

По классификации К.Ф. Богородицкого [Богородицкий, К.Ф. Высокотермальные воды СССР / К.Ф. Богородицкий. – Москва: Наука, 1968. – 167 с.] подземные воды подразделяют по температуре на переохлажденные (0 ºС), очень холодные (0 – 10 ºС), холодные (10 – 20 ºС), теплые (20 – 37 ºС), горячие (37 – 50 ºС), очень горячие (50 – 100 ºС) и перегретые (более 100 ºС). Так, рассолы нижних геотермальных горизонтов Припятского прогиба относятся к теплым и горячим, а воды верхних горизонтов – к холодным и теплым.

Вполне закономерным является вопрос использования этого природного источника тепла, которому посвящается всё больше внимания, которое стимулируется непрерывным ростом цен на традиционные источники тепла (нефть, мазут, природный газ). Цена на нефть в наши дни достигла 130 $US за баррель (159 л).

Идея использования подземного тепла недр республики не нова. Она неоднократно высказывалась в отдельных публикациях с конца пятидесятых – начала шестидесятых годов (момента постановки геотермических исследований в Беларуси). Однако кроме высказывания общей идеи, базировавшейся на опыте, уже накопленном другими странами, никакой оценки геотермального потенциала республики не выполнялось. Эти работы в Беларуси начаты только в середине 90-х годов прошлого столетия.

По существу, геотермальные ресурсы – это та часть геотермальной энергии, которая может быть экономически рентабельно извлечена в ближайшем будущем. Геотермальные резервы – это часть ресурсов, которая может эксплуатироваться в настоящее время и подтверждается данными бурения, геологическими, геофизическими и геохимическими исследованиями. Поэтому, прежде всего, надо дать количественную оценку геотермальных ресурсов, заключенных в платформенном чехле.

Существует ряд методик определения плотности распределения геотермальных ресурсов. Для оценки плотности ресурсов геотермальной энергии в геотермальных комплексах платформенного чехла была применена методика, используемая в странах Западной Европы, в частности при составлении Атласа геотермальных ресурсов Еваропы. Среди многих методов количественной оценки геотермальных ресурсов этот метод использует модель объемного содержания тепла и предполагает извлечение геотермальной энергии системой дублетов скважин (эксплуатационная и нагнетательная).

Ресурс Н₁ (в Джоулях) оценивается по формуле:

Н₁ = Н₀ • R_0,

где: Н₀ - тепло, содержащееся в породах на месте их залегания, и подразумевает объемную модель его извлечения. Сюда включается тепло, запасенное в матрице горной породы (m) и в воде (флюиде порового пространства (w)):

Н₀ = [(1-P) • ρ_m• c_m + P• ρ_w•c_w] • [T_t –T₀] •A•Δz,)

где [:

ρ_m, ρ_w– плотность матрицы горной породы и воды, соответственно, кг/м³,

с_m, с_w– удельная теплоемкость матрицы горной породы и воды, соответственно, Дж/(кг•К),

P– эффективная пористость, безразмерная величина,

T_t– температура на кровле водоносного горизонта, ºС,

T₀– температура на земной поверхности, ºС,

A– рассматриваемая площадь земной поверхности, м²,

Δz– эффективная мощность водоносного горизонта, м.

R₀– коэффициент извлечения,представляет собой часть тепла, которое подлежит добыче. Он зависит от применяемой технологии. Если добыча производится с использованием дублета скважин, при котором через эксплуатационную скважину происходит подъем геотермального флюида, а через нагнетательную (в случаях, когда минерализация пластовых теплых вод превышает лимит 1 г/л, установленный для пресных вод) – захоронение отработанного флюида в водоносный горизонт, тогда:

R₀= 0.33 (T_t–T_r) / (T_t –T₀),

где T_r– температура закачки (реинжекции), ºС.

Возврат отработанных термальных вод в водоносный горизонт предотвращает падение давления в нем во время эксплуатации, равно как и загрязнение поверхностных водотоков минеральными и солеными водами. Группа экспертов Европейского Союза рекомендует значение T_r= 25 ºС, хотя на практике используют и меньшую величину, например на Клайпедской геотермальной станции закачка отработанного рассола производится при температуре всего 11 ºС. Если используется только одна эксплуатационная скважина, например когда теплые воды пресные, то рекомендуется значение коэффициента извлечения:

R0» 0.1

В расчет входят данные по объемной теплоемкости горной породы и воды ρ_m•c_m и ρ_w•c_w, соответственно. Первые определяются лабораторными измерениями на образцах горных пород, поднятых при бурении скважин. Удельная же и объемная теплоемкость воды является параметром, незначительно зависящим от температуры. Максимальные значения этого параметра находятся в диапазоне 30–50 ˚С. Приведенная методика не требует знания других критичных параметров.

Примеры оценки плотности геотермальных ресурсов для кембрийского водоносного комплекса в юго-западной части Беларуси приведен на рисунке.

Рисунок – Плотность ресурсов подземного тепла в западной части Брестской области,кг.у.т./м².

Изменение плотность геотермальных ресурсов происходит в широком диапазоне – от 0 кг.у.т./м² в местах выклинивания этого геотермального комплекса (как показано на следующем рисунке), в частности – на востоке и севере региона, до 300 – 350 кг.у.т./м² вблизи белорусско-польской границы.

Еще большая плотность геотермальных ресурсов содержится в геотермальных комплексах Припятского прогиба. Примеры распределения плотности ресурсов для толщи верхней соли и межсолевых отложений приведены на следующих двух рисунках.

Рисунок - Плотность ресурсов геотермальной энергии, заключенной в верхней соли Припятского прогиба, т.у.т./м².

Низкоэнтальпийные геотермальные ресурсы извлекают используя различные технологические схемы, построенные на базе применения тепловых насосов. Практика показывает, что даже холодные воды с температурой 7 – 10 °С могут успешно использоваться для выработки тепла с помощью таких установок. Всего в Беларуси йствуют 9 геотермальных установок с суммарной тепловой мощностью более 1.5 МВт.

Пример установки для отопления здания канализацилноой станции, расположенной в деревне Новый Двор возле Минска приведен на следующих двух рисунках.

Рисунок – Вид теплонасосной установки станции в д. Новый Двор возле Минска

Рисунок – Здание канализационной станции в д. Новый Двор возле Минска, отапливаемое теплонасосной установкой. Газовая котельная выведена из эксплуатации.

Существует ряд схем испльзования низкоэнтальпийной геотермальной энергии. Основные из них схематично показаны на следующем рисунке.

Крупные геотермальные станции построены в Польше (Баньска-Бялы Дунаец, Новы Тарг, Пыржице, Мщонув, Сломники и др. В Литве действует Клайпедская геотермальная станция тепловой мощностью 35 МВт, показанная на рисунке.

Ресурсы высокоэнтальпийной геотермальной энергии успешно используют для выработки электроэнергии в ряде стран Италия, Япония, США, Новая Зеландия, Мексика, Индонезия, Россия, в Африке (возле Килиманджвро) и других местах.