К геотермальной энергии относят глубинное тепло Земли, которое является потенциальным источником для электро- и теплоснабжения. Данные источники можно классифицировать на три вида:

1.Термальные воды и пары в подземных коллекторах.

2. Тепло, аккумулированное в горных породах.

3. Тепло вулканов.

В районах, где активны вулканы, подземная вода нагревается и часто выходит на поверхность в виде гейзеров. Для использования этой тепловой энергии бурятся специальные скважины.

В основном данная энергия используется для отопления зданий и сооружений. Как источник для выработки электроэнергии используется довольно редко.

Геотермальная энергия активно используется в США, Японии, Исландии, Италии, Франции, Новой Зеландии, Китае и прочих странах.

Интересен опыт Исландии, где 90% домов отапливается от геотермальных источников. Само государство находится на вулканическом плато, что позволяет использовать тепло Земли.

Правительство Исландии активно поддерживает инновационные разработки использования геотермальной энергии. Самая крупная геотермальная станция имеет мощность по электроэнергии в размере 300 МВт, по теплу – 400 МВт. Кроме геотермальной энергетики в этой островной стране активно развивается гидроэнергетика, что позволяет генерировать 90% энергии из возобновляемых источников.

В США в 116 км к северу от Сан-Франциско находится крупная группа геотермальных станций общей мощностью 1517 МВт. Американское правительство активно поддерживает геотермальную энергетику как один из видов альтернативной энергии.

В Российской Федерации большие объемы термальных вод есть в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке. Примерно 30% электроэнергии на Камчатке вырабатывается на геотермальных источниках (Мутновская, Паужетская и Верхне-Мутновская ГеоЭС).

Установленная мощность геотермальных электростанций по странам мира за 1990—2010 г. отражена в таблице ниже.

Таблица 1.1 – Установленная мощность геотермальных электростанций

За анализируемый период установленная мощность геотермальных электростанций увеличилась на 4885 МВт, или на 83,8%. Наибольший прирост пришелся на Индонезию (+1052 МВт), Филиппины (+1013 МВт), Исландию (+530 МВт), Японию (+321 МВт), США (+318 МВт).

В структуре производства электроэнергии из геотермальных источников наибольшая доля приходится на США (28,9%), Филиппины (17,8%) и Индонезию (11,2%).

В Российской Федерации установленная мощность геотермальных электростанций увеличилась на 71 МВт, но по величине она значительно уступает другим странам.

Существенным недостатком использования термальных вод является необходимость их возврата обратно в пласт, что обусловлено наличием различных загрязнителей. Выбросы в водоемы могут привести к гибели местной флоры и фауны.

Среди положительных сторон геотермальной энергетики стоит отметить отсутствие колебаний в течение суток и года. Постоянство источников энергии позволяет не использовать вспомогательные генерирующие мощности.

Энергия океанов и морей

Некоторые страны ведут активные исследования по использованию энергии морей и океанов. Предпочтительными направлениями являются использование энергии приливов, океанских течений и волн.

Приливная электростанция – это, по существу, та же самая гидроэлектростанция, но в которой используется энергия не рек, а морских приливов. Для ее строительства необходима сама приливная волна и бассейн, в качестве которого можно применять различные виды ущелий, заливы или устья рек. Плотина отгораживает приливную воду, и она, возвращаясь обратно, приводит в действие турбины. Естественно, чем выше приливная волна, тем мощнее электростанция.

Приливные электростанции могут работать в реверсивном режиме, то есть вырабатывать электроэнергию как при отливе, так и при приливе. Это значительно повышает их мощность. Целесообразно строить подобные электростанции в местах, где волна выше 4 метров. Характеристики существующих приливных электростанций представлены ниже.

Таблица 1.2 – Приливные электростанции

Самая крупная приливная электростанция Сихва находится в бухте Асан, и она использует энергию Желтого моря. Длина дамбы 12,7 км, объем водохранилища 324 млн м³, высота прилива 7,5 м.

В этом же регионе запланировано строительство следующих приливных электростанций: в бухте Инчон 1320 МВт, в бухте Хонсу 700 МВт, в бухте Гарорим 500 МВт.

В России действует одна электростанция подобного вида – Кислогубская, – которая построена в 1968 г. по проекту института «Гидропроект». В 1990-х годах из-за сложной экономической ситуации станция перестала функционировать. Однако в начале 2000-х годов она вновь заработала, а в ноябре 2006 г. мощность станции была увеличена с 0,4 до 1,7 МВт.

Для использования энергии океанских течений вглубь погружают специальные роторы. С 2003 г. опыты проводятся вблизи Великобритании и Ирландии. Однако использование энергии океанских течений требует существенных инвестиций, поэтому в данный момент это направление развивается очень слабо.

Некоторые инноваторы предлагают использовать энергию волн. Основная задача использования энергии волн – это преобразование колебаний воды вверх-вниз во вращательное движение.

Первая волновая электростанция была построена в Португалии в городе Повуа-ди-Варзин. Ее установленная мощность составляет 2,25 МВт. Подрядчиком строительства выступила шотландская компания Pelamis Wave Power. Электростанция состоит из трех конвекторов, которые в свою очередь состоят из четырех секций. На стыках секций установлены гидромоторы, которые приводятся в действие от поднимающихся волн. Генераторы непосредственно присоединены к гидромоторам. Вырабатываемая электроэнергия позволяет обеспечивать поселок из 1600 домов.

В 2009 г. у берегов северной части Шотландии был установлен поплавок-насос. Его уникальность состоит в том, что вся вода под давлением поступает на берег, где из нее вырабатывается энергия. Волны то опускаются, то поднимаются, приводя в действие механизм. Мощность данной электростанции составляет 0,6 МВт, что позволяет обеспечить электроэнергий несколько сотен домов.

Использование энергии приливов, волн и океанских течений резко ограничено высокими инвестиционными вложениями. Однако многие эксперты считают, что это направление довольно перспективное.

Газогидраты

Метан, который широко используется в народном хозяйстве, можно добывать не только из залежей природного газа. Этим углеводородом богаты угольные месторождения, сланцы и газогидраты. Причем наибольшие его объемы сосредоточены в газогидратах, далее по убывающей – в сланцах, угольных месторождениях и традиционных газовых залежах.

Основные объемы метана в настоящий момент добываются как раз из газовых месторождений. В некоторых странах угольный газ также научились использовать, в ряде стран – сланцевые газы. Пока добыча газа из газогидратов в крупных объемах не осуществляется.

Газогидраты образуются при взаимодействии метана с водой под высоким давлением и низкой температуре. Один объем воды связывает от 70 до 210 м³ газа. При разложении гидрата метана из 1 куб. м. выделяется порядка 160 м³ газа.

Гидраты метана по внешнему сходству напоминают спрессованный снег, который при таянии частично обращается в газ. В природе это соединение встречается очень часто, образуя огромные залежи. Некоторые экологи опасаются, что увеличение температуры приведет к высвобождению метана из гидратов, что резко отрицательно скажется на тепловом балансе планеты.

Образование газогидратов полностью соответствует гидридной теории происхождения Земли, которая будет раскрыта дальше. Водород и углерод, поднимаясь из глубин планеты, вступают в реакцию с водой, образуя месторождения газогидратов. При этом основная их масса сосредоточена в местах, где еще идут процессы океанообразования. По оценке экспертов, на газогидраты приходится порядка 53% органического углерода, что значительно превышает общие запасы угля, нефти и газа.

Рисунок 1.2 – Распределение органического углерода на Земле

В 2017 г. появилась информация о начале промышленной добычи газогидратов Китаем в Южно-Китайском море. С месторождений, находящихся на глубине 1200 м, было добыто 120 тыс. м³ газа, 99,5% из которого метан. Китайская коммунистическая партия сообщила, что это прорыв в добыче углеводородов.

В свою очередь Япония планирует выйти на промышленную добычу газогидратов в 2018—2019 г., что позволит повысить энергетический суверенитет страны.

Добыча газогидратов в промышленном масштабе отрицательно скажется на мировых ценах на природный газ. Газпрому есть над чем задуматься.

Сланцевая революция

Начало XXI века ознаменовалось так называемой сланцевой революцией в США. Смысл этого кардинального сдвига в добыче углеводородов состоит в коммерческом извлечении нефти и газа из сланцев. Напомню, что тот же природный газ в сланцах по запасам значительно превосходит традиционные источники, уступая лишь газогидратам.

Сланцевая революция стала возможной на основе новых методов гидроразрыва пласта с использованием огромного массива данных. Новые методы работы с большими массивами информации позволили повысить эффективность этой технологии.

Метод гидроразрыва пласта был открыт в 1862 г., когда участник гражданской войны в США Эдвард Робертс обратил внимание на прирост дебита нефтяных скважин после взрыва артиллерийского снаряда. В 1866 г. Робертс получает патент на «взрывную торпеду», когда в нефтяную скважину помещали цилиндр с порохом. Далее порох взрывали, что приводило к росту притока нефти.

Месторождение Хьюгос стало первым, где в 1947 г. был проведен классический гидравлический разрыв пласта с закачкой воды вместе с речным песком. Подрядчиком работ выступила Stanolind Oil and Gas.

В конце XX века Джордж Митчелл, «отец» сланцевой революции, соединил гидравлический разрыв пласта с горизонтальным бурением, что значительно повысило эффективность технологии.

На современном этапе гидравлический разрыв пласта осуществляется следующим образом. В скважину под высоким давлением закачивается вода с пропантом, что содействует образованию множественных трещин. После откачки воды пропант остается, что приводит к приросту притока нефти и газа. Данная технология применяется как на традиционных нефтяных месторождениях, так и на сланцевых. Прирост добычи нефти фиксируется в течение нескольких лет, но максимальный прилив наблюдается в первый год.

Высокие цены на нефть в 2000-х годах способствовали притоку инвестиций в разработку новых технологий гидравлического разрыва пласта. Множество небольших американских фирм начали вести собственные разработки, в результате чего технология была усовершенствована, и в настоящий момент себестоимость добычи сланцевой нефти составляет порядка 40—50 долл./баррель. При этом на некоторых месторождениях, например, в округе Маккензи себестоимость сланцевой нефти достигла 24 долл./баррель.

Сланцевая революция в США привела к резкому снижению внутренних цен на природный газ, что способствовало уменьшению стоимости электроэнергии. Экспортный потенциал страны по углеводородам значительно вырос, и с февраля 2016 г. сжиженный газ из США стал поступать на европейский континент. В целом за этот год было поставлено порядка 500 млн м³ газа, что в принципе пока незначительно влияет на энергетический баланс Европы.

По прогнозам консалтингового агентства Wood Mackenzie к 2020 г., ежегодный экспорт сжиженного газа в Европу из США составит порядка 20 млрд м³, что перекроет 10% потребления в ЕС.

Сланцевая революция стала одним из факторов стабилизации стоимости нефти около 50 долл./баррель. При увеличении цены происходит значительный прирост добычи углеводородов из сланцев, при снижении – некоторые скважины консервируются. Дальнейшее совершенствование гидроразрыва пласта приведет к уменьшению себестоимости добычи и, как следствие, к снижению средней мировой цены на нефть.

На первых этапах сланцевой революции политическое руководство РФ и менеджмент нефтегазовых компаний скептически относились к этому явлению. Они считали, что себестоимость углеводородов будет слишком высокой и они не составят конкуренцию традиционным источникам. Однако в настоящий момент этим «экспертам» приходится пересматривать свои взгляды на сланцевую революцию.

Гидридная теория происхождения Земли

Наличие огромных запасов углеводородов в сланцах и газогидратах ставит под сомнение официальную версию происхождения нефти и газа, согласно которой они образовались в результате жизнедеятельности организмов, и потому считается, что эти природные ресурсы не возобновляются и конечны.

Автор альтернативной теории происхождения Земли (гидридной) Владимир Ларин утверждает, что из недр Земли на поверхность постоянно идут потоки водорода и именно они являются источником происхождения всех углеводородов на планете. Поэтому углеводороды возобновляемы, примером чего выступают месторождения Чечни, где скважины восстанавливались трижды: после Гражданской войны, Великой Отечественной войны и событий 90-х годов. Если бы нефть не поступала из неизвестных источников, то просто физически невозможно было бы ее добывать в течение столетия на одном и том же месте.

Напомню, что природный газ и нефть часто располагаются на таких глубинах, что даже теоретически невозможно предположить их образование из каких-либо микроорганизмов. Это тоже является доводом в пользу гидридной теории происхождения Земли. Кроме того, анализ химического состава нефти никак не подтверждает возможность ее возникновения в результате процессов разложения биомассы.

Логическим продолжением гидридной теории является широкое наличие воды, которая представляет собой оксид водорода.

Владимир Ларин предлагает перейти к прямой добыче выходящего на поверхность водорода. Это позволило бы существенным образом снизить загрязнение атмосферы двуокисью углерода. Кроме того, предполагаемые возобновляемые запасы этого ресурса огромны, что привело бы к снижению стоимости использования энергии.

Доктор геолого-минералогических наук Владимир Павлович Полеванов также на основе многолетних исследований пришел к выводу о возобновляемости нефти. Его доклад выслушан на уровне Российской академии наук, однако воз и ныне там. Никто не спешит использовать гидридную теорию происхождения Земли на практике.

В настоящий момент водород для чистой энергетики вырабатывается только в результате электрохимического разложения воды, что требует огромных затрат электроэнергии. Если пользоваться водородом из возобновляемых источников, то в результате окисления образуется лишь обыкновенная вода. Никаких оксидов серы и углерода в атмосферу бы не поступало.

В европейской части России есть огромное количество мест выхода водорода на поверхность. Эти места хорошо видны из космоса, и они представляют собой огромные круги диаметром под сто метров. Внутри этих кругов происходит гидратация гумуса, что приводит к выбеливанию почвы.

Месторождения водорода прослеживаются даже в Московской области в районе Электростали. В настоящий момент две страны, Мали и США, приступили к промышленной добыче водорода. Стоит отметить, что в России водород пока не включен в список природных ископаемых, поэтому на официальном уровне не разрешается разрабатывать месторождения этого ценного сырья.

Использование водорода пока чрезвычайно трудно, ибо он взрывоопасен. Но технологии постепенно развиваются, и эта проблема в любом случае будет решена, что приведет к снижению роли традиционных углеводородов.

Гидридная теория происхождения Земли крайне опасна для нефтегазодобывающих стран. Ибо она ставит под сомнение конечность нефти и газа, что отрицательно может сказаться на их стоимости. Кроме того, если эта теория подтвердится, то актуальность альтернативных источников энергии резко снизится. Одним из лейтмотивов развития солнечной и ветряной энергетики является как раз конечность традиционных источников энергии.

Управляемый термоядерный синтез

Атомная энергетика является одним из столпов современного энергетического хозяйства. Например, в России в 2016 г. на долю атомных станций пришлось 18,1% общей генерации электроэнергии. Общая установленная мощность атомной промышленности России составляет 26300 МВт.

В традиционных реакторах происходит распад урана-235, в результате чего происходит выделение огромного количества тепла, которое используется для генерации электроэнергии.

Существенным недостатком атомной энергетики является ограниченность урана-235. В природном уране его доля составляет всего 0,7%, а 99,3% приходится на уран-238, который непригоден для выработки электроэнергии. Поэтому перед использованием этого сырья происходит его обогащение, как правило, на центрифугах.

Атомная энергетика не безопасна, примером чего выступают аварии на Чернобыльской АЭС и Фукусиме. Кроме того, продукты распада должны храниться в специально оборудованных полигонах.

В отличие от традиционной атомной энергетики, управляемый термоядерный синтез абсолютно безопасен и экологичен. Смысл термоядерной реакции сводится к образованию более тяжелых элементов из менее тяжелых. На атомных станциях, наоборот, идет процесс разложения тяжелых веществ на более легкие.