Энергоинформ / Опыт профессионалов / Неожиданное открытие на буровой обозначило перспективы вулканической энергетики
Неожиданное открытие на буровой обозначило перспективы вулканической энергетики
Michael Parker
Получение горячей воды. Одна из геотермальных установок в Исландии
Могут ли чудовищно горячие недра Земли быть использованы для добычи энергии? Обнадеживающее сообщение с геотермальной скважины наводит на мысль, что случайно пробитая магма (газоносная, горячая порода, какую извергают вулканы) дает нам такой шанс.
Исландский проект глубокого бурения (Icelandic Deep Drilling Project, IDDP) заключается в бурении шахт на глубину до 5 км для наработки опыта использования тепла, получаемого из глубин вулканических скал Исландии.
В 2009 году скважина в Крапла (Krafla), что на северо-востоке Исландии, достигла глубины в 2100 м, после чего пробила карман с магмой, внедренный снизу в земную кору, с высокими температурами, 900-1000°C.
Эта скважина, IDDP-1, была первой из серии водяных источников, сделанной в рамках проекта IDDP в Исландии для поиска геотермальных ресурсов. В отчете, опубликованном в этом месяце в Геотермическом журнале (Geothermics journal), подробно отражены детали инженерной работы и научные результаты, которые удалось получить за счет того, что было принято решение не замуровывать шахту бетоном, как это было сделано в Гавайях в 2007 году, а попытаться использовать огромную геотермальную энергию.
Wilfred Elders, почетный профессор геологии из Университета Калифорнии, является соавтором (совместно с исландскими коллегами) трех статей в спецвыпуске Геотермического журнала.
«Попадание в магму при бурении – очень редкое происшествие, это всего лишь второй известный случай во всем мире» – говорит Elders. IDDP и Исландская национальная энергетическая компания, управляющие расположенной неподалеку геотермальной электростанцией Крапла, решили серьезно вложиться в дальнейшее исследование скважины.
Для этого они забетонировали стальную оболочку скважины, оставив перфорированную секцию в нижней части, ближе к магме. Жар начал постепенно заполнять скважину и перегревать пар, поднимавшийся из водяного источника, что продолжалось в течение двух лет.
Elders говорит, что успех бурения был «по меньшей мере, ошеломляющий» и добавляет: «Это может вызвать революцию в энергоэффективности высокотемпературных геотермальных проектов»
Вода, просачивалась в виде пара, подвергающегося перегреву и высокому давлению в течение месяцев при температуре более 450°C – это рекорд. Для сравнения, геотермальные источники в Великобритании редко имеют температуры более 60-80°C.
Нагретый магмой пар, по оценке, способен генерировать 36 МВт электроэнегрии. Хотя это довольно скромный результат по сравнению с 660-мегаваттной электростанцией на угле, но зато этот результат лучше, чем 1-3 МВт среднего ветрогенератора и составляет более более половины от мощности электростанции Крапла, вырабатывающей 60 МВт.
Важно, что теперь понятно, что делать дальше. «По существу, IDDP-1 – первая в мире магматическая геотермальная система, первая, получающая тепло непосредственно от раскаленной магмы» – говорит Elders. Скважина была установлена с целью подачи пара непосредственно на электростанцию Крапла, хотя клапан вышел из строя, после чего следовало скважину закупорить. Elders добавляет, что, хотя это и было сделано, стоит задача восстановить ее или построить другую рядом.
Gillian Foulger, профессор геофизики Даремского университета, работала в Крапла в 80-х годах в период вулканической активности. «Раньше считалось, что источники с такой глубины не нагреваются магмой, но теперь мы знаем, что так бывает. Однажды, когда я была там, мы наблюдали прорыв магмы из одной из скважин», сказала она.
Вулканические регионы, такие, как Исландия, не отличаются постоянной активностью, но могут внезапно активироваться из-за подвижек на глубине в десятки километров, из-за чего полости наполняются магмой. «Они становятся очень динамичными, с повышенным давлением, и даже выплескивают магму на поверхность. Но если они не активны, не стоит ожидать внезапного извержения, даже если вы забуритесь в них»
«С другой стороны, имея лишь расчет, основанный на одном эксперименте, не стоит бурить подобную скважину в вулканическом регионе где-нибудь рядом с городом», добавляет она.
«Команда заслужила кредит доверия для того, чтобы использовать удобный случай и продолжить исследования. Большинство людей, наткнувшись на полость с магмой, соберут вещи и уедут. Но когда жизнь дарит вам лимоны, вы делаете лимонад»
Вода + тепло = энергия
В Исландии около 90% домов отапливаются с помощью геотермальной энергии. По данным Международной Геотермальной Ассоциации, в 2010 году было выработано 10700 МВт геотермальной энергии. Как правило, современные геотермальные системы создаются накачкой холодной воды в сухую, горячую скальную породу на глубину в 4-5 км. Нагретая вода выкачивается назад в виде горячей воды или пара. В последние десятилетия наблюдается устойчивый рост производства геотермальной энергии; в лидерах идут Исландия, Филиппины и Сальвадор, у которых 25-30% энергии берется из геотермальных источников. Достаточные усилия предпринимают в этом направлении другие страны, включая Европу, Австралию, США и Японию, имеющие, впрочем, непостоянный результат и высокую цену.
IDDP надеется с помощью глубоких скважин получить дополнительную выгоду: воду в сверхкритическом состоянии; при большой температуре и высоком давлении глубоко под землей она переходит в состояние, которое нельзя назвать ни газом, ни жидкостью. В таком состоянии она переносит больше энергии и, при правильном использовании, таким образом можно получить десятикратный прирост выхода энергии, от 5 до 50 МВт.
«Пока в эксперименте в Крапла возможны различные неудачи, доводящие персонал и оборудование до ручки, но в целом процесс очень познавательный. Помимо научных статей мы подготовили подробные отчеты для практического обучения», говорит Elders. Исландская национальная энергетическая компания будет использовать их в дальнейшем для правильного проведения бурения.
IDDP – это совместный проект трех энергетических компаний, HS Energy Ltd, National Power Company и Reykjavik Energy, а также государственного энергетического ведомства Исландии и международного консорциума исследователей под руководством Elders’а. Следующая скважина, IDDP-2, будет пробурена на юго-западе Исландии около Рейкьянес (Reykjanes) в этом году.
Комментарий специалиста: что такое сверхкритический флюид?
John Proctor, Senior Lecturer in Physics at University of Salford
Этан в трех формах: докритической, критической и сверхкритической
Когда мы кипятим чайник, мы наблюдаем то, что ученые называют фазовым переходом: вода превращается из жидкости в газ, путем потери водой плотности. Кипячение 1 литра воды дает при атмосферном давлении около 1000 литров пара.
А что, если мы попробуем вскипятить воду при большем давлении? Если мы сожмем воду до 1000 атмосфер и вскипятим ее?
Лишь совсем недавно исследователи прояснили этот вопрос. Если Вы сожмете воду до 1000 атмосфер и нагреете ее при этом давлении, вскоре Вы сможете увидеть следующее. Молекулы воды станут кружиться с большей энергией, и плотность начнет постепенно падать, но это будет не кипение. При таких условиях вода не может скачкообразно превратиться из жидкости в газ. Вода (или другое вещество) в этом случае называется сверхкритическим флюидом.
Такие условия, как 1000 атмосфер давления и 500°C могут показаться экзотическими, но в природе это довольно обычное состояние. Например, в атмосфере Урана, Нептуна, Юпитера или Сатурна при высоте их атмосфер в несколько сотен километров. На Земле мы используем сверхкритические флюиды в пищевой, химической промышленности и в энергетике, например, при удалении кофеина из кофе.
Русское усилие
Исторически наше представление о жидкостях и сверхкритических флюидах основано на отношении к ним как к газам, но с некоторой натяжкой. Однако в 1930-х годах русский физик Яков Ильич Френкель раздумался над тем фактом, что плотность жидкостей гораздо ближе к плотности твердых тел, чем к плотности газов. Следовательно, подумал Френкель, имеет смысл рассматривать жидкость с позиций нашего понимания того, как устроено твердое тело.
Хотя жидкости и твердые тела схожи в смысле их плотности, между ними есть немало серьезных различий – особенно в степени неупорядоченности. У большинства твердых тел атомы находятся на своих постоянных местах, что называется кристаллической решеткой и немного напоминает бильярдные шары, сложенные для разбивки или конфеты Ферреро Роше, сложенные в пирамидку на блюде. У жидкостей, в свою очередь, позиции атомов почти произвольны.
Результаты исследований Френкеля собраны в книгу «Кинетическая теория жидкостей», которая была издана в тяжелых условиях II Мировой войны. В ней Френкель изложил последние достижения квантовой механики в области твердого тела и применил их к жидкости.
В тот период времени идеи Френкеля были проигнорированы широким научным сообществом. Не потому, что они казались неправильными, а оттого, что их сложно было экспериментально доказать или опровергнуть. Как сам Френкель замечает в своей книге, «получение искусственного высокого давления и исследование… тел, находящихся под таким давлением – непростая задача». В наше время интерес к работам Френкеля возродился. Почему же прошло столько времени, чтобы исследовать выводы из идей Френкеля?
Когда Френкель писал «Кинетическую теорию жидкостей», наука о высоких давлениях находилась в зачаточном состоянии. Сейчас ситуация совершенно другая. Теперь мы можем запросто создавать давление в 1000 атмосфер и делать при этом необходимые измерения материалов, находящихся в таких условиях.
Границы
Отталкиваясь от исследований Френкеля, физики недавно предположили, что, возможно, сверхкритического флюида, как такового, не существует. Даже при сколь угодно большом давлении существует четкая граница между газом и жидкостью – линия Френкеля.
Если это предположение верно, то, когда мы сжимаем воду или иную жидкость до 1000 атмосфер и нагреваем ее, мы должны ожидать резкого изменения ее состояния с жидкого на газообразное, выраженного в некоторых тонких, но важных свойствах материала.
Вывод: если сверхкритические флюиды – не то, что о них думают физики, мы должны быть готовы к обнаружению новых интересных свойств. После приблизительно столетнего существования определенной точки зрения, ученые должны пересмотреть свой взгляд на сверхкритические флюиды.
