Пробурить вулкан

По мере развития технологий бурения геотермальная энергия становится дешевле и ширится круг доступных для разработки месторождений — теперь это не только привычные сейсмоактивные районы вроде Камчатки и Курильских островов. В активных же областях геотермальные станции могут стать драйверами развития экономики — с курортами, оранжереями и экологичными производствами.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Профессор Иван Кулаков из Центра науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха рассказал «Ъ-Науке», откуда берется тепловая энергия недр, как ее извлекают из подземных скоплений воды, пара и из сухих пород и какие пересечения есть между геотермальной энергетикой, нефтегазовой отраслью и возобновляемыми источниками энергии. Кроме того, вы узнаете, насколько горячо на дне самой глубокой скважины на планете и сколько стоит километр бурения, почему скупой использует воду трижды и как геотермальные флюиды связаны с самолетостроением, а также что будет, если пробурить вулкан, и в каком европейском городе едва ли решатся на вторую попытку запуска геотермальной станции.

— На какую максимальную глубину уже бурили скважину?

— 12 км с небольшим. Это Кольская сверхглубокая скважина в Мурманской области. Ее пробурили с 1970 по 1989 год.

— Насколько на такой глубине горячо?

— Конкретно в этой скважине — 180 градусов Цельсия. То есть перепад температур здесь относительно невелик — примерно 15 градусов на километр. В среднем на Земле температурный градиент вдвое больше — 30 градусов на километр, а в некоторых местах может доходить и до сотни градусов.

— Откуда берется это тепло? Это правда чуть ли не единственный независимый от Солнца источник энергии?

— Температура верхних сотен метров грунта и весь климат определяются Солнцем: оно вызывает ветер, течения, круговорот воды. Ископаемые виды топлива — почти полностью продукт фотосинтеза, то есть опять же какие-то растения или водоросли сохранили в себе солнечную энергию. Всего этого без солнечного света не было бы.

А геотермальная энергия бы была. Она и на других планетах, наверное, есть. Источников у нее два. Первый связан с процессом формирования Земли: гравитация собирает воедино огромный диск пыли, и каждая новая частица вещества, падая на формирующуюся планету, отдает ей свою кинетическую энергию, разогревает ее.

— То есть много холодных камней сталкиваются и превращаются в один горячий, расплавленный камень?

— Да, потом внутри планеты тяжелые вещества погружаются вниз, легкие поднимаются наверх, и это тоже порождает тепловую энергию.

— И этого запаса тепла хватает на миллиарды лет?

— Да, внутри мы имеем очень горячее ядро, которое медленно остывает, а снаружи — более холодную поверхность. Между ними возникает конвекция: потоки горячего вещества выносят часть тепла наверх. Но это лишь половина истории.

В Земле есть довольно большой запас радиоактивных элементов, в основном в гранитном слое — это примерно верхние 20 км континентальной земной коры. В океане гранитный слой отсутствует, а на континентах распад радиоактивных изотопов урана, тория и калия обеспечивает примерно 50% геотермальной энергии.

Радиоактивное тепло тоже выделяется неравномерно: есть места, где граниты сформировались недавно и распад идет интенсивнее. Но в любом случае благодаря этому теплу геотермальную энергетику можно развивать не только там, где есть столкновение литосферных плит, тектоническая активность, вулканизм.

— До какой глубины надо добурить, чтобы вырабатывать энергию даже в малоактивных областях?

— Если мы научимся дешево бурить скважины до глубины 10 км, то человечество сможет забыть про нефть и пользоваться только энергией из этих скважин. И китайцы уже близки к этому: на Таримской плите пробурены сотни скважин, глубина которых приближается к 10 км. Пока это очень дорого, но они денег не жалеют.

— А пробурили эти скважины, конечно, нефтяники?

— Естественно.

— Бурение — это основная расходная статья в геотермальной энергетике?

— Да, на бурение приходится примерно 60% затрат, причем каждый следующий километр стоит дороже предыдущего.

— Насколько дороже?

— Если первые 3 км обойдутся вам в $2 млн, то далее 3 км добавят еще $8 млн, а следующие три — еще $12 млн. Примерно так.

— Как этот процесс удешевить?

— Есть компании, которые развивают довольно футуристичные технологии. Во-первых, плазма: электрическая дуга нагревает породу до нескольких тысяч градусов и плавит ее. Я сам видел образцы породы с прожженными дырками, но пока не совсем ясно, как доставить эту энергию на такую большую глубину. Во-вторых, «микроволновка»: породу разрушает мощное электромагнитное поле микроволнового диапазона. В-третьих, вода под очень большим давлением. В общем, обещают разные способы бурить быстрее и дешевле.

— Допустим, мы научились более дешево бурить до глубины 10 км. Каких температур мы там будем искать?

— Чем больше, тем лучше. В идеале хотелось бы градусов 300, чтобы система работала эффективно.

— И при этом нужны подземные воды?

— Если есть вода, то это просто замечательно, особенно если есть циркуляция — приток новой воды из пласта. При 300 градусах на такой глубине она существует в надкритическом состоянии — это не жидкая вода и не газ, а что-то среднее. Когда удается добыть на поверхность воду в таком состоянии, она идет под таким жутким давлением, что можно вращать большую турбину на 30 МВт. Это примерно как суммарная выработка на десятке скважин самой крупной в России — Мутновской ГеоЭС.

Но на Земле мало мест, где можно «проткнуть дырку» и оттуда пойдет сухой пар. Даже на Камчатке таких мест не больше десяти — это прежде всего Мутновское и Паужетское месторождения. Рядом со вторым есть вулкан Кошелева, объемы ресурсов под которым могут быть сопоставимы с калифорнийским месторождением Гейзерс, на которое приходится почти 10% мирового производства геотермальной энергии. Кошелева — это колоссальное месторождение, которое ждет освоения, но таких мест мало, и почти все они уже эксплуатируются.

— Пар может закончиться?

— Месторождения сухого пара на удивление долговечны. Выработка на конкретных скважинах может постепенно падать, но обслуживание старых скважин и бурение новых может обеспечить практически неограниченную эксплуатацию месторождения. Скажем, Паужетское месторождение эксплуатируется с 1960-х годов и стабильно производит примерно 7–10 МВт. Мутновское разрабатывается почти 25 лет и обеспечивает треть потребления Петропавловска-Камчатского — это уже сопоставимо с хорошим нефтегазовым месторождением, а в ближайшие годы планируется существенное расширение.

— Что если вода есть, но такого лютого жара, как на месторождении сухого пара, нет?

— Бывает, что в основном выходит не пар, а горячая вода — это хуже, потому что напрямую вращать ей турбину нельзя. Зато таких месторождений очень много, даже со 100-градусной водой, пусть и не кипящей: у нас они есть в Чечне, Дагестане, на Байкале.

Горячую воду можно загнать в бинарный цикл. Это значит, что она будет нагревать вещество, которое испаряется при более низкой температуре, например фреон. Он будет закипать вместо воды, вращать турбину, конденсироваться, потом нагреваться новой водой, снова вращать турбину и т. д. А остывшую воду мы возвращаем обратно в пласт.

Единственный бинарный агрегат в России — на Менделеевской ГеоТЭС на острове Кунашир Курильской дуги. Там, правда, пар тоже есть, и все устроено интереснее: пар и горячую воду разделяют, пар пускают на турбину, он там остывает, смешивается с горячей водой и в таком виде повторно используется на установке бинарного цикла. А потом вода еще и пускается в город на отопление! К сожалению, многие скважины на этом месторождении вышли из строя, и станция использует лишь малую часть потенциала гидротермального резервуара, но сама система прекрасная.

— Но бывает и наоборот: температура высокая, а воды нет?

— Если горячие породы достигнуты, можно закачать туда воду с поверхности — так работает петротермальная энергетика. Именно этот подход позволяет говорить о том, что после создания относительно дешевых технологий глубинного бурения можно будет добывать геотермальную энергию почти где угодно.

— Для закачки нужна отдельная скважина?

— Обычно да. В петротермальной системе работает пара скважин на небольшом расстоянии друг от друга. На глубине между ними идет гидроразрыв — система трещин, которые обеспечивают переток жидкости из одной скважины в другую. В одну скважину закачивают холодную воду, она проходит через горячий пласт, нагревается и выходит из другой скважины.

— Это тот самый гидроразрыв пласта, который делают на нефтяных скважинах и про который рассказывают страшилки?

— Да. Гидроразрыв — это разрушение породы путем закачки жидкости под очень высоким давлением. Каждый разрыв — это маленькое землетрясение. Но проблема в том, что в областях с высокой природной сейсмичностью они могут вызвать землетрясение посерьезнее. Такое случилось в швейцарском Базеле. Там есть своя природная сейсмичность, а в далеком 1356 году город вообще был разрушен катастрофическим землетрясением. Так вот, в 2006 году там пробурили скважину на 5 км, начали гидроразрыв пласта. Как полагается, пошли маленькие землетрясения с магнитудой меньше единицы, а потом как шарахнула тройка — все почувствовали, трещины в домах пошли. Уменьшили напор, дескать, случайно, больше не повторится. Но когда второй раз шарахнуло на 3,5 балла, проект закрыли. Колоссальные деньги потеряны, и именно этот случай вызвал большой скептицизм по отношению к петротермальной энергетике в Европе. У нефтяников тоже есть эти риски, но они реже работают в сейсмоактивных областях.

— Допустим, проблем с гидроразрывом не возникло, и в инжекторную скважину поступает вода. Рукотворное месторождение сухого пара?

— Даже лучше, потому что вода чистая. Реликтовая вода в обычном гидротермальном месторождении тысячелетиями насыщалась минералами, и в ней высока концентрация всякой гадости, которая вредит оборудованию и требует очистки.

— Но эта гадость неплохо продается?

— Да, в этом плане у естественных месторождений преимущество. Например, можно выделять из геотермальных флюидов литий. В этом году на геотермическом поле вблизи озера Солтон-Си в Калифорнии запускают производство, которое после выхода на полную мощность должно дать 24 тыс. тонн гидроксида лития в год. У нас на Камчатке и на

Курилах теоретически тоже можно добывать литий.

На самом деле в геотермальных флюидах есть вся таблица Менделеева. Редкоземельные элементы, вся аккумуляторная группа — литий, кобальт, марганец, никель. Есть цинк, золото, рений. Последний очень нужен для производства высокотемпературных сплавов, из которых делают лопатки для турбин и другие детали для самолетов и ракет. И у нас на острове Итуруп, на вулкане Баранского, одна из самых высоких в мире концентраций рения среди гидротермальных источников.

— Расскажите о магма-геотермальной энергетике. Вы ведь имеете отношение к этой области?

— Мы уже говорили о гидро- и петротермальных станциях. Первые добывают природный сухой пар и горячую воду, вторые используют закачку воды с поверхности, но требуют глубокого бурения, обычно более 5 км, что дорого.

Мой мегапроект связан с извлечением энергии вулканов. Например, мы определили геофизическими методами, что на Авачинском вулкане на Камчатке верхняя кромка магматического очага — а это 1 тыс. градусов (!) — находится на глубине всего 2,5 км. Этому очагу десятки тысяч лет, поэтому он успел прогреть окружающие породы до температур, которых в обычных условиях на такой глубине не найти. На Камчатке и Курильских островах десятки активных вулканов, где можно ожидать наличия природной «печки» на доступных глубинах.

В окрестностях каждого вулкана можно построить петротермальную, а может, и гидротермальную станцию, ведь наверняка там есть вода. На Камчатке, например, выпадает огромное количество осадков. Вместе с тем на склонах Авачинского вулкана большую часть года не видно ни одной реки. Значит, вулкан эту воду впитывает — нужно только ее найти.

— В целом геотермальные воды так и появляются?

— Да, мы называем такую воду метеорной — это значит, что она падает с неба в виде осадков. Она просачивается в разломы и может оказываться на глубине до нескольких километров.

Еще бывает глубинная вода — на нее приходится всего несколько процентов, но у нее особая роль. Когда океаническая плита сталкивается с континентальной и погружается под нее, она утаскивает с собой огромное количество воды на глубину примерно 120 км. Поднимаясь, эта вода даже в очень небольшой пропорции — 1% — резко понижает температуру плавления пород, и именно в этих местах образуются магматические очаги и цепи вулканов.

— Вы предлагаете бурить скважины прямо на вулкане. Что будет, если случайно добурить до расплавленной магмы,— армагеддон?

— Нет, такое уже случалось, были направленные бурения на магматический очаг. В 2009 году на геотермальном поле вулкана Крабла в Исландии на глубине чуть больше 2 км бур оказался в расплавленной магме. Естественно, бур был сразу потерян, но опасаться катастрофического высвобождения магмы не приходится: она просто застывает через несколько метров, создавая прочную пробку на дне скважины. И если удастся организовать цикл воды в этой трубе, то за счет близости к магматическому очагу мы сможем получать много энергии.

С вулканами бывает другая проблема. При бурении можно попасть в «запечатанный» резервуар с очень высоким давлением, прокол которого приведет к разрушению не просто бурового оборудования, а всей скважины. Для понимания масштаба бедствия: в районе Мутновской ГеоЭС пытались заблокировать давно пробуренную скважину, в итоге в марте 2024 года там произошел взрыв и образовалась воронка диаметром около 200 м и глубиной 30 м.

Про риск наведенной сейсмичности мы уже говорили. Наконец, ошибки при бурении могут иметь более прозаичные последствия: если скважина не достигла тех температур или подземных вод, которые вы искали, получается, что вы зарыли в землю очень много денег — это серьезные экономические и репутационные риски.

— Какое будущее вы видите, если действительно будут строиться магма-геотермальные станции у подножия вулканов?

— Как минимум можно выработанную энергию запасать в виде водорода, и будет между вулканами курсировать танкер, собирать водород и снабжать потребителей этим экологичным топливом.

Вообще, пример Исландии показывает, что геотермальная энергия позволяет, образно говоря, высадиться на необитаемый остров и даже в суровом климате устроить райские условия. Во-первых, можно в теплицах с подогревом и искусственным освещением круглый год выращивать овощи и фрукты, разводить рыбу. Во-вторых, строить спа-комплексы, оздоровительные центры и другие туробъекты — это основа для сферы услуг. В-третьих, чистые производства, чтобы не мешали наслаждаться природой: помимо водородных фабрик и добычи редких элементов из геотермальных флюидов в голову сразу приходят центры обработки данных, которым нужно много электроэнергии. Наконец, научные центры по изучению геотермальных технологий, вулканологии, агротехники, биомедицины.

Все это создаст возможность жить и работать в комфортных условиях в потрясающе красивых местах. Такая стратегия позволит выйти из замкнутого круга, когда на эти удаленные территории никто не едет из-за отсутствия инфраструктуры, а инфраструктуры нет, потому что нет людей.

Реальный прототип такого геотермального оазиса — городок Хверагерди в Исландии. Там круглый год растут бананы, помидоры и розы. Есть курорт, который привлекает массу туристов. Работает центр геотермальных исследований. И вся жизнедеятельность города имеет практически нулевой углеродный след. Почему бы не сделать что-то подобное на Курильских островах или на Камчатке?

— Геотермальная энергия самая экологичная?

— Ну смотрите. С ископаемым топливом понятно: там выбросы. На геотермальных станциях также есть выбросы различных газов, включая парниковые, но они и так присутствуют в естественных фумаролах и термальных источниках. Кстати, для меня самого это было неожиданностью, но по сравнению с человеческой деятельностью вулканы выбрасывают в атмосферу ничтожно мало CO².

Атомные электростанции производят опасные отходы. У ветряков и солнечных батарей углеродный след связан с их производством, плюс утилизация. На изготовление турбин ГеоЭС уходит существенно меньше ресурсов. К тому же солнечная и ветровая генерация зависят от погоды и времени суток, поэтому все равно нужны или дорогостоящие аккумуляторы, или более стабильные источники-партнеры, и геотермальная энергия идеально подходит на эту роль. Жечь вместо этого мазут ужасно дорого и неэкологично.

Наконец, ГеоЭС занимают мало места. В пересчете на мегаватт электроэнергии солнечные батареи занимают в пять раз большую площадь, ветряки при выполнении всех норм — в восемь—десять раз больше. Гидроэлектростанции требуют обширных водохранилищ, а это потеря посевных площадей.

— У геотермальной энергетики есть очевидные точки соприкосновения с нефтегазовой отраслью. Как одно уживается с другим?

— Нефтяные компании находятся под давлением государственных структур, которые требуют снижать углеродный след и повышать экологичность добычи. Для них развитие альтернативных источников энергии — это отчасти такая общественная нагрузка, но не только.

Добыча нефти и газа часто связана с большими энергозатратами. Например, вязкую нефть нужно разогревать паром. Откуда взять на это энергию на удаленном от цивилизации месторождении? Не нефть же сжигать. В этом смысле геотермальные источники очень интересны нефтяникам, ведь другие варианты могут стоить дорого.

Кроме того, консервация отработанных нефтегазовых скважин — это тоже значительные затраты, поэтому возможность дать им вторую жизнь вдвойне привлекательна.

— Геотермальную вторую жизнь?

— Да. Например, есть технология коаксиальной трубы. В скважину вводится «труба в трубе». По внешнему контуру спускается холодная вода, а по внутреннему поднимается горячая, которая идет на отопление или генерацию электроэнергии в бинарном цикле. Или можно использовать готовые гидроразрывы между отработанными нефтяными скважинами и прогонять воду по ним. Другая перспективная возможность — использовать ту горячую воду, которая является побочным продуктом при добыче нефти и сейчас, по сути, требует утилизации.

— Наверное, нефтяники могут поделиться опытом гидроразрыва?

— Не только. Опыт в разведке и разработке нефтегазовых месторождений очень полезен для геотермальной энергетики, потому что технологии практически одни и те же: поиск, разведка, бурение, а гидроразрыв — это вообще целая наука. У нас в Центре науки и технологий добычи углеводородов Сколтеха есть специалисты, которые изучают физику гидроразрыва, чтобы понять, какие следует использовать жидкости, как предсказать распределение трещин в пространстве и чем их закупоривать, чтобы они не схлопывались.

— В общем, это скорее отношения сотрудничества, а не конкуренции?

— Да, здесь понятны общие цели и ценность. Масштаб геотермальных процессов в Земле огромен: они приводят к движению литосферных плит, росту гор, раскрытию океанов. Если человечеству удастся использовать хотя бы ничтожную часть этой энергии в своих целях, ее хватило бы для полного обеспечения всех энергетических нужд на неограниченное будущее. Но чтобы этого добиться, нужно решить научные и технологические проблемы, которые требуют совместных усилий специалистов разных дисциплин.

Беседовал Николай Посунько