Как наверняка найти подземное тепло

Группа геологов взялась за решение сложнейшей задачи — получить энергию от вулканических пород и снабдить теплом и электричеством городок на одном из островов Курильского архипелага, самой длинной гряды островов в мире: 1200 км.

Год назад ученые прошли пешком с тяжелым оборудованием все опасные склоны действующего и очень активного вулкана Эбеко, установив целую сеть сейсмостанций — 21 прибор. Прошедшим летом им удалось повторить тот же маршрут и собрать их, чтобы проанализировать записанные за год данные о сейсмической активности под островом Парамушир, рассказал «Ъ-Науке» руководитель группы, заведующий лабораторией сейсмической томографии Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, член-корреспондент РАН, доктор геолого-минералогических наук Иван Кулаков.

Сейчас идет обработка данных с сейсмостанций. Ожидается, что полученные результаты позволят увидеть картину расположения магматических камер и термальных вод и точно просчитать, где бурить скважины для получения геотермальной энергии. Это позволит избавиться от дорогостоящего и неэкологичного мазутного топлива, которое сегодня служит основным источником энергии для обеспечения жизнедеятельности города Северо-Курильск на острове Парамушир.

Город под слоем пепла

Северо-Курильск — небольшой город на острове Парамушир, в котором живет 2,5 тыс. человек, а всего в шести километрах от населенного пункта в центре острова расположен вулкан, из которого периодически на высоту нескольких километров вырываются огромные тучи пепла и газа — сероводорода. У этого газа очень резкий и неприятный запах тухлых яиц. Весь город периодически засыпает тонким слоем пепла — от него спасает только почти непрекращающийся сильный ветер и привычка местных жителей к экстремальным условиям жизни. Кроме пепла и газа вулкан время от времени извергает из себя довольно увесистые камни диаметром более метра. К счастью для жителей, до города они не долетают.

За активно действующими вулканами вблизи городов научное сообщество геологов и геофизиков обычно пристально следит — это важно для безопасного существования людей на таких территориях. С одной стороны, от вулкана, извергающегося регулярно, не приходится ждать сюрпризов, поскольку газы постоянно выходят на поверхность и нет опасности их большого накопления, которое могло бы привести к мощному взрыву. С другой — в составе вулканических пород Эбеко есть растворенные магматические флюиды, что представляет опасность, поскольку газы в какой-то момент могут начать лавинообразным образом выходить из магмы, подобно пене из бутылки шампанского, что может привести к взрыву вулкана. Эта угроза требует тщательного контроля за ситуацией. Одной имеющейся станции, размещенной 30 лет назад вблизи вулкана, для таких целей было явно недостаточно.

Вулкан опутали сетью сейсмостанций

21 сейсмостанция — это по весу примерно тонна научного оборудования, а по бюджету — более 20 млн руб., которые много лет на эти цели собирались усилиями лаборатории под руководством Ивана Кулакова. Каждая станция весит около 50 кг — пешком такой вес в рюкзаке далеко не унесешь. Часть станций, которые находились вблизи города, доставляли до места на машине. На более крутых участках использовали квадроцикл. На берегах Охотского моря станции доставлялись на лодке. Оставшееся оборудование в один из погожих дней вертолет Ми-8 очень быстро доставил по указанным точкам.

Затем геологи обходили их пешком за несколько дней, настраивали и тщательно закапывали. В некоторых случаях вкапывать было не во что, на точке были только скалы и большие камни. Тогда ученым приходилось складывать вокруг станций что-то наподобие каменного замка. От станции до станции ученые то пересекали глубокие броды в горячих реках, то двигались по высокой и узкой каменистой тропе вдоль прижима, то поднимались на очень крутой склон высокогорного плато, спуститься с которого уже не представлялось возможным. В течение всего захватывающего путешествия вулкан периодически выпускал порции пепла и газов, которые то и дело накрывали экспедицию. Тогда ее участникам приходилось оперативно надевать противогазы или даже лежать, накрывшись плащами. С такими невероятными приключениями состоялась расстановка сейсмостанций в 2021 году.

Спустя год всю процедуру нужно было повторить в обратном порядке, чтобы проанализировать записи, которые велись в течение всего периода, и наконец выяснить границу магматической камеры, а значит, и очага тепловой энергии. Летом 2022 года вертолет должен был собрать уже выкопанные сейсмостанции. Испытав на себе все прелести прошлогодней экспедиции, на этот раз геологи позвали на помощь опытных горных туристов, но даже они не везде смогли добраться до точек в связи с экстремальной погодой, поэтому на самых труднодоступных участках вертолетчикам пришлось работать самостоятельно — благодаря своей мобильности они успевали это сделать за короткие промежутки без дождя и ветра.

Согреться от вулкана

Что же собой представляет геотермальная энергия, находящаяся в недрах Земли? Насколько она доступна и рентабельна? Можно ли в обозримом будущем заменить ею углеводородное топливо? Его запасы истощаются, добыча усложняется, как следствие, цены на него растут, а выбросы в атмосферу после сжигания представляют отдельную проблему.

— В среднем температура по мере заглубления в скважину на каждый километр повышается примерно на 30 градусов, и если разработать технологию точного поиска места, где и на какую глубину нужно бурить скважины, то по мере развития геотермальной энергетики, абсолютно экологически безопасной, она может покрыть основные потребности человечества в тепло- и электроснабжении,— уверен руководитель проекта Иван Кулаков.

Эксперт рассказал, что глубинное бурение требует огромных ресурсов и вложений, поэтому сначала необходимо четко определить участки с максимальным градиентом температуры. На одних территориях температура почти не растет, на других — градиент может составлять сотни градусов на километр глубины. Такие участки в первую очередь имеет смысл искать вблизи действующих вулканов, где температурный градиент по определению должен быть выше.

Но можно использовать геотермальное тепло нашей планеты и на других территориях и даже обойтись без дорогостоящего бурения, например, воспользовавшись отработанными нефтяными скважинами. В Западной Сибири таких очень много, и они также могут служить источниками геотермальной энергии, с достаточно высоким градиентом.

Как устроена ГеоЭС

Схема работа геотермальной установки проста. Пароводяная смесь подается по трубам из скважин, затем пар поступает на турбины, а конденсированная вода закачивается обратно в горные пласты. Полученная энергия значительно превышает затраченную. Если температура природной воды из скважины близка к кипению, то ее сразу используют в виде горячего пара для вращения турбины. Если в источнике тепла вода не достигает температуры кипения и, соответственно, не производит пара, в таких местах делают установки бинарного цикла. В них недогретая вода передает тепло жидкости с более низкой температурой кипения. Например, фреон (фтордихлорбромметан) кипит при +52 градусах Цельсия.

Оба цикла — простой и бинарный — абсолютно замкнутые и не производят никаких выбросов. Кроме гидротермальной бывает еще петротермальная энергия — передача тепла от сухих пород на большой глубине. Разница в том, что в гидротермальной станции горячая вода на большой глубине уже есть, а в петротермальных станциях воду в скважину специально закачивают, чтобы нагреть ее, поднять на поверхность и получить тепло. Геотермальные электростанции широко используются в США, Исландии, Индонезии, Германии.

В поисках подземного тепла

Первая геотермальная станция в СССР была построена на Камчатке в 1966 году — Паужетская ГеоЭС. Ее мощность составляет всего 6 МВт — ровно половину от установленной. Еще пара таких же небольших ГеоЭС расположены на Курильских островах. А самая большая геотермальная станция в России — Мутновская — расположена в Елизовском районе Камчатского края. Ее мощность составляет 50–70 МВт. Она была построена в 2002 году. Станция использует прямое воздействие горячего пара на турбину. Остывшая вода закачивается обратно в горные пласты.

Общее количество скважин на Мутновской ГеоЭС — 12. Использование геотермальной энергии позволило значительно ослабить зависимость полуострова от дорогостоящего привозного мазута. Она обеспечивает примерно 30% потребности в электроэнергии всего Петропавловского региона. К сожалению, обеспечивать этот регион еще и горячей водой из того же источника пока не получается — этому не способствует сложный горный рельеф местности, а передать электричество по проводам в любом ландшафте не составляет проблемы.

По образу и подобию Мутновской ГеоЭС и Петропавловского района ученые предложили сделать проект новой ГеоЭС для Северо-Курильска и окружающих территорий. Сама по себе идея обеспечить геотермальной энергией город, который находится неподалеку от природного парового котла, не нова. В конце 1990-х годов ее даже попытались осуществить, пробурив скважину глубиной 2,5 км неподалеку от города. Но инициатива успехом не увенчалась — вопреки ожиданиям, на глубине не оказалось никаких гидротермальных резервуаров.

Новые силы этому проекту придали новосибирские геофизики из Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, которые подошли к решению задачи с полным арсеналом научно-приборной базы. Ученые решили выяснить точное расположение подземных (магматических) очагов тепловой энергии и картировать их.

— Скорее всего, под городом магматический очаг отсутствует, а под вулканом он точно имеется,— рассказывает Иван Кулаков.— Наша задача была найти границу этого очага где-то между вулканом и городом и оценить, возможно ли пробурить там скважину. Далее, совместно с региональным руководством этих территорий нужно будет решить, реально ли протянуть оттуда коммуникации.

Водород из воды

Для увеличения надежности данных кроме сейсмостанций ученые в одиннадцати точках использовали геоэлектрический метод магнитно-теллурического зондирования. С помощью этого метода измеряется электромагнитная волна, которая проникает внутрь земли и реагирует на породы с различным электрическим сопротивлением по-разному, что можно зарегистрировать специальными приборами. Зоны с пониженным сопротивлением отражают наличие жидкости в среде, что может быть связано с наличием гидротермальных источников. Часть аналитических данных на основе расшифровки записей сейсмостанций и геоэлектрических измерений уже получена. По предварительным результатам, можно сказать, что граница теплового очага находится где-то на полпути между вулканом и городом.

Количество горячих точек, на которых можно построить геотермальные станции, на Дальнем Востоке исчисляется десятками. Большинство из них расположены на Камчатке и Курильских островах вдали от населенных пунктов. Но источники энергии вдали от жилья нерентабельны, кроме тех случаев, когда речь идет о добыче универсального топлива.

В данном случае — водорода. По сути, геотермальная станция — готовая фабрика для производства водорода методом электролиза. Водород можно хранить в виде сжатого газа в баллонах или в более безопасной связанной форме, например, аммиака, и использовать как на экспорт, так и для внутренних нужд экономики страны.

— В случае реализации проекта сети геотермальных станций на Курильских островах инфраструктура этого региона изменится настолько, что по уровню сервиса и туристической привлекательности их можно будет сравнить с Гавайями,— надеется Иван Кулаков, который провел на Камчатке много экспедиций и в подробностях описал природу края не только как ученый-вулканолог, но и как художник: среди работ ученого есть сотни научных статей и серия картин с изображением извергающихся и спящих вулканов.

В проекте развития геотермальной энергетики вместе с ИНГГ СО РАН участвует Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН. Лауреат премии «Глобальная энергия» академик Сергей Алексеенко подготовил и подал в Совет по приоритетному направлению «Энергетика» заявку на Комплексную научно-техническую программу полного инновационного цикла «Технологии геотермальной энергетики».

Мария Роговая