Резервуары тепла и энергии

До сих пор шла речь об общеизвестных полезных ископаемых - рудах металлов и самих горных породах. Но в последние годы все большее значение приобретает глубинное тепло недр и, в частности, его носители - естественные горячие воды и водяной пар, которые в силу их своеобразия как будто бы нельзя назвать полезными ископаемыми. Однако по существу естественные горячие воды и водяной пар являются, конечно, полезными ископаемыми.

Природные горячие воды обладают рядом преимуществ перед другими источниками энергии. Ресурсы их огромны: в верхней части земной коры заключены колоссальные резервуары горячих подземных вод. Своеобразность этих вод состоит в том, что в отличие от других полезных ископаемых запасы их естественно возобновляются. Если разумно эксплуатировать эти воды, они будут служить человеку неограниченно долгое время. Важно и то, что горячие воды могут быть получены из глубоких скважин во многих местах и использоваться на месте. Находясь в скважинах под напором, горячие воды без дополнительных усилий подаются к силовым установкам.

В настоящее время уже существует три основных направления практического применения природного пара и горячих вод. Первое связано с непосредственным использованием тепла горячего водяного пара и гидротерм. Второе заключается в использовании тепла для получения электроэнергии. Третье - извлечение различных полезных минеральных веществ, содержащихся в гидротермах.

Во многих странах есть подземные бассейны горячих вод, залегающих на сравнительно небольшой глубине от поверхности. В СССР ныне известно около 40 таких бассейнов. По мнению проф. О А. Кремнсва, общая энергия подземных горячих вод в нашей стране значительно больше той энергии, которую можно было бы получить от сжигания различных видов минерального топлива.

Воды природных пароводяных котлов имеют различную температуру. В некоторых она превышает 100° С, в других - не очень высока, всего 40-60° С. Но и не очень горячие воды можнр использовать для теплоснабжения. Для этого применяют так называемые тепловые насосы. Теплая вода поступает с глубин Земли в резервуары, в которых она частично испаряется и при этом охлаждается. Пары воды поступают в специальные компрессоры, где они сжимаются и попутно нагреваются. Горячий пар направляется непосредственно на теплоснабжение или используется для подогрева воды, идущей для отопления жилья и промышленных сооружений. И хотя на сжатие пара требуется некоторое количество электроэнергии, эти затраты составляют небольшую долю «перекачиваемой» энергии.

Не очень сильно нагретые подземные воды можно использовать и непосредственно для обогрева помещений. В системах центрального отопления обычно циркулирует вода с температурой 75-95° С для поддержания в помещении температуры воздуха 20-25° С. Этот значительный перепад температур связан со сравнительно небольшой площадью нагревателей - радиаторов. Перепад температур можно уменьшить, применяя вместо радиаторов особые панели, обеспечивающие излучение тепла с большой поверхности стен помещений. Панельное отопление даст возможность использовать менее нагретые природные термы.

Тепло вулканов уже широко используется в Исландии - стране вечных льдов, не имеющей собственного минерального топлива. Исландцы давно обратились к использованию горячих источников, широко распространенных на этом острове. Полностью теплофицирована столица Исландии - город Рейкьявик с населением в 53 тыс. человек. К 1957 г. в окрестностях столицы для теплофикации было пробурено 92 скважины глубиной от 20 до 770 м. Они дают в секунду около 400 л горячей воды со средней температурой 87° С. Теплофикация за счет подземных горячих вод имеет большое значение для экономики и культуры города. Кроме Рейкьявика термы обогревают еще четыре города и ряд поселков. Исландцы говорят, что у них самая дешевая, удобная и чистая система отопления в мире. Использование тепла подземных вод дало возможность отказаться от ежегодного ввоза 75 тыс. т каменного угля, что приносит свыше 30 млн. исландских крон дохода в год.

Горячая вода широко применяется в Исландии и для обогрева оранжерей. В теплицах вызревают огурцы, помидоры, виноград и даже такие тропические растения, как бананы и ананасы. Обилие тепла и искусственное освещение дают возможность хорошо развиваться растениям; кусты помидоров и огурцов достигают двухметровой высоты. И урожаи здесь неплохие - с куста помидоров получают до 8 кг плодов. Недостаток солнечного тепла исландцы умело компенсируют вулканическим.

Широко используются природные горячие воды в Японии. Они отапливают дома, нагревают почву на рисовых полях и огородах. Благодаря значительному содержанию солей аммония и фосфора эти воды применяются как удобрение. На природных термах работают купальни и многие курорты. В промышленности термы используются для выпаривания из морской воды поваренной соли. Япония бедна энергетическим сырьем, поэтому в планах ее экономического развития использованию геотермического тепла отводится большая роль. Предполагают, что геотермическая энергия позволит значительно уменьшить ввоз в страну угля и нефти.

Своеобразно используют воды горячих источников в штате Орегон (США). Одна из горных дорог этого штата зимой покрывалась льдом, что приводило к частым автомобильным авариям. Для устранения льда применили горячую минерализованную воду местных источников. Она направляется в теплообменник, нагревает пресную воду, которая в свою очередь нагнетается в трубы, проложенные под полотном дороги на наиболее трудных ее участках. Так дорогу освободили от льда.

В СССР особенно много горячих источников в областях активного вулканизма - на Камчатке и Курильских островах. Немало их также в районах недавно потухших вулканов - на Кавказе, в Закавказье, Приморье, на Чукотке и в других районах.

Население Камчатки и Курильских островов уже давно использует тепло вулканов. На острове Кунашир, у подножия вулкана Менделеева, участок побережья Тихого океана настолько нагрет, что получил название Горячего пляжа. Местами в раскаленном песке можно варить яйца. На острове выходят струи пара и бьют кипящие ключи. Это тепло используется для отопления зданий Южнокурильска, для работы бань, прачечных и водолечебницы. В ближайшее время природный пар Горячего пляжа будет использоваться шире - для получения электроэнергии, обогрева теплиц, а также в химической промышленности. Особенно велики перспективы использования вулканического тепла на Камчатке. Здесь находится более 100 групп горячих источников и две группы гейзеров; но пока лишь немногие из них используются в лечебных целях. В 1956 г. на берегу Охотского моря в 30 км от крупнейшего Камчатского рыбного комбината начала работать экспедиция по изучению подземных горячих вод и выяснению возможностей их использования в народном хозяйстве. Из ряда пробуренных в этом районе скважин 12 дают промышленный пар, который уже применяется для обогрева теплиц.

Горячие воды многих источников Камчатки и Курильских островов по лечебным свойствам не уступают минеральным водам известных курортов. На Камчатке большую славу снискали воды Налачевских источников, содержащие мышьяк. Горячие вулканические воды используются при лечении многих болезней - ревматизма, различных заболеваний суставов, нервной системы.

Горячие подземные воды Исландии, Японии, Камчатки и других вулканических районов связаны с наличием на небольших глубинах очагов магмы. Однако широко распространены горячие подземные воды и в таких областях, где вулканическая деятельность уже давно заглохла. Образование их связано с проникновением поверхностных вод на большие глубины, нагретые под влиянием потока тепла, исходящего из глубоких слоев Земли. С помощью глубокого бурения обнаружены подземные горячие воды во многих невулканических районах нашей страны. В самые последние годы найдены огромные бассейны артезианских вод с температурой до 100-120° С и выше в недрах Русской и Сибирской равнин, Западной Сибири, Средней Азии и других районах. Например, теплые и горячие воды с температурой 50-60° С обнаружены в районе Ярославля, Москвы, в Белоруссии. В Западной Сибири на глубине 2500-3000 м обнаружен огромный артезианский бассейн вод, нагретых до 120° С. Академик Д. И. Щербаков считает, что эти воды могли бы обогревать до пятидесяти крупных городов. В Омске выведенные на поверхность подземные горячие воды уже применяются для обогрева теплиц и оранжерей, а также в городском коммунальном хозяйстве. Два городских пищевых комбината работают на этих водах.

Горячие подземные воды нашли широкое применение в Махачкале. С 1959 г. шесть скважин ежесуточно выдают городу до 4 тыс. м³ воды с температурой 55-68° С. Эта вода используется для работы бань, душей, отопления жилых домов, общественных и производственных зданий, в теплично-парниковом хозяйстве и как питьевая минеральная вода. Экономия средств от использования термальных вод в Махачкале превышает 500 тыс. рублей в год. В скором времени расход термальной воды достигнет здесь 20-25 тыс. м³ в сутки.

Как мы уже писали, цель второго направления использования подземного тепла - получение электроэнергии. Больших успехов в этом достигла Италия. В 1904 г. глубинный пар впервые был направлен в небольшой двигатель, соединенный с динамомашиной и, таким образом, было положено начало использованию нового источника энергии.

Наиболее освоено использование подземного горячего пара в Тосканском районе, расположенном в 220-250 км к северо-западу от Рима. Геотермоэлектростанции сгруппированы у городка Лардерелло. В 1961 г. семь геотермо-электростанций Лардерелло имели общую мощность 300 тыс. кет. Это составило около 6 % всей электроэнергии, выработанной в стране. Стоимость геотермической электроэнергии намного дешевле всех других видов энергии: один киловатт/час обходится примерно в одну лиру (100 лир соответствует 15 копейкам). Геотермоэлектростанции освещают ряд городов в Тосканском районе и питают электричеством железные дороги между ними. Приток пара из всех скважин в Лардерелло составляет 3 тыс. т в час.

Геотермоэлектростанции мало напоминают обычные тепловые электростанции. Здесь нет подъездных железнодорожных путей, складов каменного угля или цистерн с нефтью, нет и громоздких котельных с отопительным устройством. В чистых белых зданиях помещаются турбины, к которым по широким трубам подводится природный пар.

Представляют интерес некоторые сведения о свойствах пара Тосканских месторождений. Максимальная температура пара достигает 239-241° С. Пар и пароводяные струи выходят из скважин под большим давлением. В последние годы оно составляло 3-6 атм в открытых скважинах и 11-17 атм в закрытых. Пар и паро-водяные струи выделяются из скважин со скоростью от 125 до 470 м/сек.

Энергичные исследования по использованию внутреннего тепла Земли ведутся в Новой Зеландии. Недостаток электрической энергии на Северном острове страны заставил новозеландское правительство рассмотреть различные варианты решения энергетической проблемы. Были проанализированы возможности строительства тепловых электростанций, использования гидроэнергии Южного острова, постройки атомных электростанций, однако после тщательного изучения решено было остановиться на строительстве Геотермоэлектростанции. С 1949 г. начато изучение термальных областей Новой Зеландии. Обнаружено несколько перспективных районов. В главном геотермальном районе Вайракей к 1959 г. было пробурено уже более 80 скважин общей длиной 60 км. Максимальная температура пара - 266° С установлена на глубине 680 м.

Теплоэнергетики пришли к выводу, что энергия термальной площади Вайракей составляет около 250 тыс. кет. Ныне в Новой Зеландии действует геотермоэлектростан-ция мощностью 69 тыс. кет. Она использует пар 13 скважин района Вайракей. Станция питается чистым паром с температурой 234° С. Дебит его 90 г в час. Горячая вода сбрасывается, ее тепло не используется. Новозеландцы продолжают заниматься дальнейшим использованием тепла Земли; сейчас ведется строительство геотермоэлек-тростанции мощностью 250 тыс. кет.

Применение подземных горячих вод и водяного пара для получения электроэнергии чрезвычайно перспективно в условиях Камчатки. В Паужетском районе строится первая в Советском Союзе опытная геотермическая электростанция мощностью 5 тыс. кет. Вода и пар, поступающие из глубин в скважины, будут направляться в сепаратор. Здесь пар отделится от воды. Отстоявшаяся горячая вода пойдет на отопление помещений и обогрев овощных теплиц, пар и вулканические газы направятся к паровой турбине, а оставшиеся неконденсирующиеся вулканические газы будут выброшены в атмосферу.

Использование тепловой энергии вулканов будет способствовать также охране рыбных богатств Камчатки. В самом деле, представим себе, что были бы осуществлены проекты строительства гидроэлектростанций по всему полуострову (тепловые станции здесь строить экономически невыгодно, так как уголь и нефть для них надо завозить). Тогда возникли бы плотины и водохранилища, которые нарушили бы режим нерестелищ лососевых, заходящих из моря в реки и озера Камчатки для размножения. Это в конечном счете могло бы привести к вымиранию ценнейших сортов рыбы. Строительство электростанций, работающих на глубинном тепле Земли, сохранит рыбу - одно из богатств Камчатки.

Третье направление использования подземных горячих вод и пара - извлечение заключенных в них ценных химических соединений. Так, в парогидротермах Лардерелло содержатся соединения бора, соли аммония, сероводород и другие вещества. Правда, содержание борной кислоты в воде и паре незначительно (около 0,3 г в 1 кг пара), но тем не менее она извлекается в промышленных количествах благодаря огромному количеству поступающего с глубины пара. Немаловажное значение имеет комплексное использование паро-гидротерм как источников тепла и химического сырья. В Лардерелло в геотермических электростанциях в год из пара добывают 4400 т борной кислоты, 5 тыс. т буры, 620 т хлористого аммония и одновременно карбид бора, соли аммония, аммиак. Кроме того, добывается сернокислый и двууглекислый аммоний, углекислота, карбид. Общая добыча химических продуктов достигает 15 тыс. г в год. Проводятся опыты по извлечению серы из сероводорода. Запасов пара в Лардерелло при современном масштабе его использования хватит на много тысяч лет.

Использование глубинного тепла Земли как источника энергии таит в себе огромные возможности. Это тепло позволит обеспечить энергией бестопливные районы. Отпадет необходимость в огромных расходах на транспортировку и хранение энергетического топлива (угля, нефти, дров). Отработанные горячие воды будут использоваться для теплофикации городов и как сырье для получения многих ценных химических веществ.

Но все это - лишь первые шаги. За ними последуют другие. Люди научатся превращать глубинное тепло в электроэнергию, не извлекая гидротерм на поверхность, то есть практически не охлаждая их. А потом обязательно используют иные виды энергии недр, в том числе и такие, о существовании которых мы сейчас еще не догадываемся.