Нетрадиционные источники энергии

геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи,

когда увеличение температуры на 1° С происходит при углублении на 2-3 м.

Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На

глубине 400-600 м в некоторых районах, например, Камчатки, температура

доходит до 150-200 °С и более.

В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной

мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8

тыс. м температура составляет всего лишь 3,6 °С. Здесь геотермическая сту-

пень составляет 500 м на 1 °С. На отдельных платформенных частях терри-

тории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая:

500 м – не выше 20°  С, 1 тыс. м – 25-35° С; 2 тыс. м – 40-60°  С; 3-4 тыс. м –

до 100° С и более.

 Подземные  термальные воды (гидротермы)

В земной коре существует подвижный и чрезвычайно теплоемкий

энергоноситель – вода, играющая важную роль в тепловом балансе верхних

геосфер. Вода насыщает все породы осадочного чехла. Она содержится в по-

родах гранитной и осадочной оболочек, а вероятно, и в верхних частях ман-

тии. Жидкая вода существует только до глубин 10-15 км, ниже при темпера-

туре около 700 °С вода находится исключительно в газообразном состоянии.

На глубине 50-60 км при давлениях около 3·104 атм исчезает граница фазово-

сти, т.е. водяной газ приобретает такую же плотность, что и жидкая вода.

В любой точке земной поверхности, на определенной глубине, завися-

щей от геотермических особенностей района, залегают пласты горных пород,

содержащие термальные воды (гидротермы). В связи с этим в земной коре

следует выделять еще одну зону, условно называемую «гидротермальной

оболочкой». Она прослеживается повсеместно по всему земному шару толь-

ко на разной глубине. В районах современного вулканизма гидротермальная

оболочка иногда выходит на поверхность. Здесь можно обнаружить не толь-

ко горячие источники, кипящие грифоны и гейзеры, но и парогазовые струи с

температурой 180-200° С и выше.

Температура подземных вод колеблется в широких пределах, обуслов-

ливая их состояние, влияя на состав и свойства. В соответствии с температу-

рой теплоносителя все геотермальные источники подразделяют на эпитер-

мальные, мезотермальные и гипотермальные.

К эпитермальным источникам обычно относят источники горячей во-

ды с температурой 50-90 °С, расположенные в верхних слоях осадочных по-

род, куда проникают почвенные воды.

К мезотермальным источникам относят источники с температурой

воды 100-200 °С.

В гипотермальных источниках температура в верхних слоях превы-

шает 200 °С и практически не зависит от почвенных вод.

Происхождение термальных вод может быть связано с деятельностью

тепловых очагов, но чаще всего вода, тем или иным способом попадая в

пласт породы, совершает долгий путь, пока не приходит в контакт с тепло-

вым потоком или постепенно разогревается, отбирая тепло у пород.

Жидкая фаза воды и тепло могут происходить из одного источника

лишь в том случае, если таковым является остывающий магматический рас-

плав. Перегретая вода в виде паровых струй выделяется из расплава вместе с

газами и легколетучими компонентами, устремляясь в верхние, более холод-

ные горизонты. Уже при температурах 425-375 °С пар может конденсиро-

ваться в жидкую воду; в ней растворяется большинство летучих компонентов

– так появляется гидротермальный раствор «ювенильного» (первозданного)

типа. Под термином «ювенильные» геологи подразумевают воды, которые

никогда прежде не участвовали в водообороте; такие гидротермы в прямом

смысле слова являются первичными, новообразованными_______. Полагают, что подобным образом сформировалась вся поверхностная гидросфера морей и

океанов в эпоху молодой магматической активности планеты, когда только-

только зарождались твердые консолидированные «острова» материковых

платформ.

Прямой противоположностью «ювенильных» вод являются воды ин-

фильтрационного происхождения. Если «ювенильные» воды, отделяясь от

магматического расплава, поднимаются к поверхности, то преобладающее

движение инфильтрационных вод – от поверхности вглубь. Источник вод

этого типа представляет собой атмосферные осадки или вообще поверхност-

ные водотоки. По поровому пространству пород или трещинным зонам эти

воды проникают (инфильтруются) в более глубокие горизонты. По пути

движения они насыщаются различными солями, растворяют подземные газы,

нагреваются, отбирая тепло у водопроводящих пород.

В зависимости от глубины проникновения инфильтрационных вод они

становятся более или менее нагретыми. При средних геотермических усло-

виях для того, чтобы инфильтрационные воды стали термальными (т.е. с тем-

пературой более 37 °С), необходимо их погружение на глубину 800-1000 м.

Инфильтрационные гидротермы способны изливаться на поверхность в

виде горячих источников, если существует возможность разгрузки воды на

поверхность по разломам, выклиниваниям слоев, что происходит в более

низких относительно области питания участках. Причем, чтобы вода остава-

лась термальной, подъем ее к поверхности должен происходить очень быст-

ро, например, по широким трещинам разломов. При медленном подъеме гид-

ротермы остывают, отдавая аккумулированное тепло вмещающим породам.

Однако, если пробурить скважину на глубину 3-4 тыс. м и обеспечить быст-

рый подъем воды, можно получить термальный раствор с температурой до

100 °С. Все это касается  областей со средними геотермическими показателя-

ми и не относится к вулканическим районам или зонам недавнего горнообразования.

Вулканический тип термальных вод следует выделить особо. Как уже

говорилось, горячие источники вулканических районов нельзя целиком счи-

тать «ювенильными», т. е. магматическими. Опыт исследований показывает,

что в подавляющем случае вода вулканических терм имеет поверхностное

инфильтрационное происхождение. Помимо гейзеров вулканический тип

гидротерм включает грязевые грифоны и котлы, паровые струи и газовые

фумаролы.

Все перечисленные типы термальных вод имеют разнообразнейший

химический и газовый состав. Их общая минерализация колеблется от ульт-

рапресных категорий (менее 0,1 г/л) до категорий сверхкрепких рассолов

(более 600 г/л). Гидротермы  содержат в растворенном состоянии различные

газы: активные (агрессивные), такие, как углекислота, сероводород, атомар-

ный водород, и малоактивные – азот, метан, водород.

В геотермальной энергетике могут быть использованы практически все

виды термальных вод: перегретые воды – при добыче электроэнергии, пре-

сные термальные воды – в коммунальном теплообеспечении, солоноватые

воды – в бальнеологических целях, рассолы – как промышленное сырье.

Запасы и распространение термальных вод

К областям распространения месторождений термальных вод относят-

ся: вулканическое кольцо бассейна Тихого океана, Альпийский складчатый

пояс, рифтовые долины континентов, срединно-океанические хребты, плат-

форменные погружения и предгорные краевые прогибы (рис.5).

По своему происхождению месторождения термальных вод можно

подразделить на два типа, различающиеся способом переноса тепловой энер-

гии.

Первый тип образуют геотермальные системы конвекционного про-

исхождения, отличающиеся высокой температурой вод, разгружающихся на

дневную поверхность. Это районы расположения современных или недавно

потухших вулканов, где на поверхность выходят не только горячие воды, но

и пароводяная смесь с температурой до 200 °С и более. На сегодняшний день

все геотермальные электростанции работают в районах современного вулка-

низма.

Рис. 5. Области производства геотермальной энергии в системе третич-

ных орогенических поясов (заштриховано): 1 – Калифорния; 2 – Серро Прие-

то; 3 – Мексика, Идальго; 4 – Сан-Сальвадор; 5 – Чили, Атакама; 6 – Ислан-

дия; 7 –Араак-Лак; 8 – Лардерелло, Монте-Амиата; 9 – Венгерский бассейн;

10 – Айдин-Денизли; 11 –  Кавказ; 12 – Суматра; 13 – Ява; 14 –  Новая

Гвинея; 15 – Новая Британия; 16 – Фиджи, Новые Гебриды; 17 – Вайракей,

Вайотапу; 18 – Филиппины; 19 – Япония; 20 – Камчатка.

 

Второй тип геотермальных месторождений образуется при преобла-

дающем кондуктивном прогреве подземных вод, сосредоточенных в глубо-

ких платформенных впадинах и предгорных прогибах. Они располагаются в

невулканических районах и характеризуются нормальным геотермическим

градиентом – 30-33 °С/км.

Бурением на нефть и газ, а частично и на воду обнаружены сотни под-

земных артезианских бассейнов термальных вод, занимающих площади в не-

сколько миллионов квадратных километров. Как правило, артезианские бас-

сейны, расположенные в равнинных областях и предгорных прогибах, со-

держат воду с температурой 100-150° С на глубине 3-4 км.

Можно без преувеличения сказать, что любой отмеченный на карте

предгорный прогиб, который был сформирован в эпоху альпийского горооб-

разования, содержит бассейн термальных вод. Таковы артезианские бассей-

ны предгорных прогибов Пиренеев, Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Копет-

Дага, Тянь-Шаня, Памира, Гималаев. Термальные воды этих бассейнов де-

монстрируют уникальное многообразие химических типов от пресных (пить-

евых) до рассольных, употребляющихся как минеральное сырье для извлече-

ния ценных элементов. Больше половины всех известных минеральных (ле-

чебных) вод выходят в виде источников или выводятся скважинами в преде-

лах альпийских предгорных и межгорных прогибов. Опыт показывает, что

термальные воды подобных малых бассейнов являются наиболее перспек-

тивными для комплексного использования в практических целях.

Подсчеты запасов термальных вод основываются на имеющихся дан-

ных об объемах гравитационных вод, заключенных в пластах, объемах самих

водоносных горизонтов и коллекторских свойствах слагающих их горных

пород. Запасы термальных вод представляют собой общее количество выяв-

ленных термальных вод, находящихся в порах и трещинах водоносных гори-

зонтов, имеющих температуру 40-200° С, минерализацию до 35 г/л и глубину

залегания до 3,5 тыс. м от дневной поверхности.

С развитием глубокого бурения на 10-15 км открываются многообе-

щающие перспективы вскрытия высокотемпературных источников тепла. На

таких глубинах в некоторых районах страны ( исключая вулканические) тем-

пература вод может достигнуть 350° С и выше.

Районы выхода на поверхность кристаллического фундамента(Балтий-

ский, Украинский, Анабарский щиты) и приподнятые горные сооружения

(Урал, Кавказ, Карпаты и  т. д.) совершенно не имеют запасов  термальных

вод. На участках погружения фундамента, т. е. при увеличении толщины

осадочного чехла, в недрах наблюдается некоторое «потепление» до 35-40 °С

на платформах и до 100-120 °С в глубоких предгорных впадинах.

К числу районов, имеющих максимально «теплые» земные недра, не-

сомненно, относится Курило-Камчатская вулканическая зона. Здесь нагре-

тость пород и содержащихся в них вод зависит не только от глубины их зале-

гания, но в большей степени от близости к вулканическим центрам и разло-

мам в земной коре.

Таким образом, температура пород, а следовательно, и вод находится в

зависимости от глубины залегания и от района, который характеризуется

большей или. меньшей геотермической активностью.

Экология и нетрадиционные источники энергии

В комплексе существующих экологических проблем энергетика зани-

мает одно из ведущих мест. В связи с интенсивным вовлечением возобнов-

ляемых источников энергии в практическое использование особое внимание

обращается на экологический аспект их воздействия на окружающую среду.

Экологические последствия развития солнечной энергетики

Солнечные станции являются еще недостаточно изученными объекта-

ми, поэтому отнесение их к экологически чистым электростанциям нельзя

назвать полностью обоснованным. Солнечные станции являются достаточно землеемкими. В случае создания СЭС с солнечными прудами удельная землеёмкость повысится и увеличится опасность загрязнения подземных вод рассолами.

Солнечные концентраторы вызывают большие по площади затенения

земель, что приводит к сильным изменениям почвенных условий, раститель-

ности и т. д. Нежелательное экологическое действие в районе расположения

станции вызывает нагрев воздуха при прохождении через него солнечного

излучения, сконцентрированного зеркальными отражателями. Это приводит

к изменению теплового баланса, влажности, направления ветров; в некото-

рых случаях возможны перегрев и возгорание систем, использующих кон-

центраторы, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Применение

низкокипящих жидкостей и неизбежные их утечки в солнечных энергетиче-

ских системах во время длительной эксплуатации могут привести к значи-

тельному загрязнению питьевой воды. Особую опасность представляют жид-

кости, содержащие хроматы и нитриты, являющиеся высокотоксичными ве-

ществами.

Космические СЭС за счет СВЧ-излучения могут оказывать влияние на

климат, создавать помехи теле- и радиосвязи, воздействовать на незащищен-

ные живые организмы, попавшие в зону его влияния. В связи с этим необхо-