Высокие цены на нефть и удачные "вбросы" информации о новых революционных технологиях, организуемые технократическим лобби вкупе с заинтересованными политиками, уже и обывателя заставили говорить на досуге о водородной энергетике, управляемом термоядерном синтезе, новых типах солнечных батарей и т. д. Политическая и экономическая конъюнктура благоприятствует раскрутке самых фантастических проектов (вроде полукилометровой австралийской башни, работающей на разнице температур у подножия и на вершине), призванных избавить человечество от тотальной углеводородной зависимости.
С естественнонаучной точки зрения вся эта технократическая феерия не запрещена законами природы, а потому в принципе может быть доведена до практических результатов. (Разумеется, речь идет не о совсем уж маргинальных ноу-хау вроде холодного термояда: адепты этой сомнительной технологии в последние месяцы опять стали поднимать голову.) Но, как и всякая волна, нынешний вал энергетического энтузиазма несет в себе слишком много сора, который в иной, более спокойной обстановке без труда отфильтрует даже выпускник средней советской школы.
Помимо известных законов природы в области технологий добычи энергии есть еще один проверенный критерий: инновационный цикл здесь, как правило, сильно растянут во времени и критически зависим от предыдущих наработок. Научное открытие превращается в рыночный стандарт в течение десятилетий, если не столетий, органично "впитывая" в себя более ранние ноу-хау. Любимый в Силиконовой долине и диковато выглядящий в русском переводе термин "новейшая новинка", появившийся в эпоху интернет-бума, в энергетической сфере просто неприменим. Даже достаточно быстрое по "энергетическим" меркам освоение атомной энергии было бы невозможно без длинной предыстории турбиностроения и теплофизики.
Именно поэтому всю так называемую альтернативную энергетику лучше проверять на таком оселке: "Ладно, закон сохранения энергии вы не нарушаете, но насколько вы консервативны? Достаточно ли большой процент в вашем новом проекте занимают уже опробованные и растиражированные ноу-хау?" В этом контексте совершенная на прошлой неделе PR-акция РАО "ЕЭС России" по привлечению интереса общественности к геотермальной энергетике выглядит умнее и тоньше, чем, например, многочисленные заявления Буша-младшего о грядущих победах на водородном фронте в течение последних двенадцати месяцев.
Огненное кольцо
Прогнозы энергетического развития человечества на ближайшие 50-100 лет, предоставляемые различными международными организациями, существенно разнятся. По апокалиптическому для сторонников традиционной тепловой энергетики варианту, сочиненному европейскими чиновниками, уже к 2020 году четверть энергобаланса планеты займут возобновляемые источники, а к концу века их доля вырастет и вовсе до 85%. Есть предсказания, лояльнее относящиеся к судьбе атомной и углеводородной энергетики, но, так или иначе, все прогнозы объединяет один тезис: доля альтернативных источников энергии будет расти.
Уже сегодня среди нетрадиционных способов получения энергии - ветрового, солнечного, приливного и проч. - геотермальная энергетика занимают самое значительное место (ее вес в балансе альтернативных источников сейчас превышает 60%). Дело в том, что на Земле существует много геологических разломов, где расплавленные магматические породы подходят близко к поверхности. Они нагревают подземные воды до температур, достигающих порой 300шC, и их можно использовать как теплоноситель для электрогенерирущих агрегатов.
По подсчетам специалистов, только в зоне так называемого огненного кольца, проходящего по евразийскому и американскому побережьям Тихого океана, тепло Земли заключает в себе энергию, в разы превышающую теплотворную способность разведанных запасов углеводородного сырья.
С 40-х годов прошлого столетия геотермальная энергия становится единственным источником тепла в Исландии, а с конца пятидесятых получает широкое распространение и в других странах, богатых подземными запасами горячей воды. В США показатель установленной мощности на ГеоЭС подбирается к отметке 3000 МВт. Произведенное на ГеоЭС электричество вместе с теплом, напрямую идущим на обогрев и промышленные нужды, составляет в энергобалансе этой страны более 1%. В Мексике геотермальная составляющая превышает 4%, но абсолютный лидер - Филиппины: здесь десятки ГеоЭС с совокупной установленной мощностью 2000 МВт вырабатывают пятую часть всей электроэнергии страны.
По расчетам российских экспертов, количество возобновляемой энергии, использование которой имеет экономический смысл, составляет 270 млн тонн условного топлива (т.у.т.) в год, причем большая ее часть, равная сжиганию 115 млн т.у.т., приходится на геотермальную энергию (это вдвое больше, чем рассчитывают получить от малой гидроэнергетики, и в десять раз больше, чем от энергии ветра и солнца). Используя геотермальную энергию для теплоснабжения городов и поселков, Россия могла бы экономить 20-30% ископаемого топлива в течение ближайших пяти-десяти лет. Но обладая большими запасами геотермальной энергии и являясь технологическим лидером в данной области, Россия значительно отстала в практическом использовании этой технологии. Состоявшийся на прошлой неделе в Петропавловске-Камчатском Международный геотермальный семинар показал, что ситуация хоть и медленно, но меняется в лучшую сторону.
Задел в 6 миллиардов долларов
Геотермальные источники использовали сначала только для бальнеологических целей. За пару столетий до римских терм, в III веке до н. э., император Цинь Шихуанди, впервые объединивший Китай в единое государство, приказал обустроить для себя курорт на горячем источнике Хуакинчи.
Для отопления геотермальную энергию первыми применили французы в XIV веке в местечке Шод-Эг, эта система теплофикации работает до сих пор. Из горячих источников в итальянском районе Лардерелло с конца XVIII века добывали борную кислоту, и к концу XIX столетия здесь уже вовсю процветала химическая промышленность. Здесь же началась история использования геотермальной энергии для выработки электричества: заскучавший наследник богатейшего фарфорового бизнеса маркиз Джинори Конти, развлекаясь, не только придумал, как из дармового тепла получить электричество, но и впервые в мире сгенерировал его на своей экспериментальной установке в 1904 году. Еще через девять лет в Лардерелло была пущена и первая промышленная геотермальная электростанция (ГеоЭС) мощностью 250 кВт.
В России самые ранние геотермические наблюдения приведены в книге академика Степана Крашенинникова "Описание земли Камчатка", написанной им после экспедиции 1737-1741 годов. Интерес к этой теме был большой, и в 1910 году образуется Геотермическая комиссия при Русском географическом обществе.
Но всерьез за геотермальные источники взялись уже в советское время. Первое научное обоснование возможности работы пятимегаваттной ГеоЭС применительно к Паужетскому геотермальному месторождению на Камчатке сделал в 1948 году сотрудник петропавловского Института вулканологии Александр Гавронский. Во второй половине 50-х годов прошлого столетия в мире начинают работать геотермальные станции мощностью в несколько мегаватт. Первыми справились с технологическими трудностями в преодолении мегаваттного барьера в Новой Зеландии, построив в 1958 году станцию мощностью 10 МВт, годом позже заработали большие экспериментальные станции: Пат в Мексике и первая американская геотермальная станция в местечке Гейзерс. Примерно на это же время приходится начало активного периода геотермических исследований в СССР: во второй половине ХХ века ими занимались 63 академических и ведомственных института и вуза. До развала Союза они пробурили и исследовали около четырех тысяч скважин на Камчатке, Чукотке, Курильских островах, в Калининградской области. Больше всего скважин - тысяча - было пробурено в Краснодарском крае, и сейчас почти полмиллиона человек здесь пользуются горячей водой, нагретой с помощью геотермальной энергии.
Стоимость буровых и исследовательских работ на этих скважинах, по оценкам Орегонского технологического института, приведенным на Международном геотермальном семинаре, составляет 6 млрд долларов в современных ценах. Этот задел, оставленный в наследство Советским Союзом, по словам президента международной ассоциации "Геотермальное энергетическое общество" Олега Поварова, "валяется теперь под ногами, осталось его только подобрать".
Большая голова и маленький хвост
Бурное развитие геотермальных энергетических технологий в Союзе пришлось на 60-е годы прошлого века - во многом благодаря потоку инновационных идей, шедших из атомной отрасли, в первую очередь связанных с совершенствованием турбинных технологий для атомной энергетики и подводных лодок. Дело в том, что и в атомной, и в геотермальной энергетике приходится иметь дело с влажным паром с низкими параметрами давления и температуры. В водо-водяных атомных реакторах, работающих в том числе и на кораблях атомного флота, из-за физических свойств конструкционных материалов и замедлителя нейтронов - воды - при повышении температуры происходит затухание управляемой реакции деления. Поэтому на турбину подается пар с температурой всего 250шC (на обычных ТЭЦ турбину крутит пар с температурой свыше 500шC при давлении в десятки атмосфер).
В геотермальных источниках температура пароводяной смеси редко превышает 150шC, а в реальности приходится иметь дело с еще более холодным рабочим телом - после сепарации смеси, идущей из горячих источников, от щелочной составляющей и собственно воды остается низкотемпературный пар, находящийся под сравнительно небольшим давлением. Рекордсмен по использованию низкопотенциального пара, по словам Олега Поварова, - Паужетская ГеоЭС, заработавшая на Камчатке в 1966 году. На первой в стране геотермальной станции вот уже 38 лет работает турбина на паре с температурой 110шC и давлением всего в две атмосферы. Низкое давление при больших расходах пара обусловило конструктивные особенности турбины (по словам Поварова, у нее "большая голова" - длинные лопатки первых ступеней и "маленький хвост" - короткие лопатки последних; у турбины, работающей с высокими давлением и температурой, все наоборот). Ее сконструировали харьковчане, специализировавшиеся на разработке эффективных энергоблоков для АПЛ, а сама она была собрана на Калужском турбинном заводе - советском монополисте в производстве энергоблоков для подводного флота.
В 1965 году геотермальной энергетике повезло еще раз. Ученые из Института теплофизики Сибирского отделения АН Самсон Кутателадзе и Лев Розенфельд разработали и запатентовали уникальную технологию бинарного цикла для получения электроэнергии, и уже два года спустя этот проект был реализован на опытно-промышленной Паратунской ГеоЭС на Камчатке. Первую турбину там раскручивал пар с температурой всего 150шC, вторую - фреон, переходящий в газовую фазу за счет нагревания геотермальной водой с температурой всего 78шC. Соединение двух ключевых ноу-хау - низкопотенциальной турбины и бинарного цикла - в единую технологическую схему позволило говорить о том, что геотермальщики в обозримом будущем могут претендовать по крайней мере на отличную от нуля долю мирового энергобаланса.
Патент на использование бинарной технологии у СССР тогда был куплен десятком стран. Но с 70-х годов, когда из-за низких цен на органическое топливо развитие геотермальных технологий в Советском Союзе надолго замерло, совершенствованием бинарной технологии занялись уже в других странах. Особенно преуспел в этом Израиль. Несколько специалистов из Харькова и Новосибирска, эмигрировавших в Израиль, организовали преуспевающую компанию "Ормат". Наладили серийное производство бинарных энергоустановок мощностью 1,5-4 МВт, использующих вместо фреона изобутан и изопентан. Новоиспеченным израильтянам удалось оседлать конъюнктурную волну - в 70-80-е годы ежегодный прирост электрической мощности, вырабатываемой ГеоЭС, составлял 12%. Сейчас на бинарных технологиях в мире работает около 500 энергоблоков с суммарной мощностью свыше 600 МВт, львиная доля которых приходится как раз на израильские установки.
Не меньше чем солнце
Вторую жизнь геотермальные технологии в России получили только в 90-е годы - и снова на Камчатке. Дело в том, что этот полуостров не соединяют с большой землей ни автомобильные, ни железные дороги. В советское время с затратами на морскую танкерную поставку мазута для камчатских ТЭЦ и котелен, обеспечивающих теплом и электричеством почти 400 тыс. камчадалов, особо не считались. За советское излишество пришлось расплачиваться в наше время. Ежегодно Камчатка дотируется для покупки мазута примерно на 45 млн долларов. Перевод Камчатки на геотермальное энергоснабжение позволил бы экономить ежегодно около 900 тыс. тонн условного топлива. Идею использования энергии, в буквальном смысле лежащей под ногами, стала продвигать группа бывших атомщиков. Они организовали компанию "Геотерм". Ее научным руководителем и стал профессор кафедры турбин Московского энергетического института Олег Поваров.
Самое крупное на Камчатке Мутновское геотермальное месторождение, расположенное в 130 км от столицы области города Петропавловска-Камчатского, представлялось особенно привлекательным для коммерческого использования. Поваров добивается поддержки у Анатолия Чубайса, тогда еще вице-премьера российского правительства, на пилотное строительство трех 4-мегаваттных блоков Верхне-Мутновской ГеоЭС. Европейский банк реконструкции и развития выделил 600-тысячный грант на технико-экономическое обоснование, а само строительство, закончившееся в 1999 году, финансировало РАО ЕЭС. Чубайс, загоревшийся идеей геотермальных электростанций, поддержал строительство еще одной - Мутновской ГеоЭС. В 1998 году, используя свое влияние, он добился от ЕБРР первого в истории современной России крупного кредита для энергетического проекта в размере 99,9 млн долларов. Еще 70 млн долларов расходов пришлись на долю "Геотерма" и РАО ЕЭС. В 2001-2002 годах в эксплуатацию были пущены оба 25-мегаваттных блока Мутновки.
"Благодаря использованию технологий, применяемых до того только в атомном энергомашиностроении, Мутновская станция - самая современная в мире", - утверждает Олег Поваров. В 80-е годы он получил две Государственные премии СССР за исследования в области двухфазовых сред и разработку эффективных турбин для АПЛ, работающих на низкопотенциальном рабочем теле и устойчивых к влажной и коррозионной среде - как раз такой, каким является пар геотермальных источников. По мнению профессора, пройдет не меньше пятнадцати лет, прежде чем на Западе научатся делать подобные энергоблоки.
У нас есть шанс, обеспеченный советскими технологическими инвестициями и инерционностью энергетической сферы. Один из лучших в мире специалистов в теплофизике (к слову, ученик Самсона Кутателадзе) академик РАН Владимир Накоряков считает, что в начале прошлого века оценки конкурентных преимуществ той или иной энергетической технологии были настолько противоречивы, что даже предвидение немецкого физико-химика и нобелевского лауреата Вильгельма Оствальда о грядущей эпохе электрохимической энергетики с использованием водорода записывалось по ведомству краткосрочных прогнозов. Минувшее столетие изменило расклад сил. "В десятых годах появились паровые турбины с КПД двадцать пять процентов, быстро вытеснившие паровые машины с их десятипроцентным КПД, - говорит Накоряков. - С помощью турбин стали вырабатывать больше электричества. Пошел быстрый рост тепловой энергетики. Электронасосы облегчили добычу нефти, а электрооборудование - добычу угля. И это столетнее наследие определяет сегодняшний выбор. Я уверен, что значение водорода и топливных элементов в мировой энергетике будет только расти, но в ближнесрочной перспективе среди возобновляемых источников энергии геотермика, опирающаяся на турбинные технологии, будет играть роль по крайней мере не меньшую, чем энергия солнца".
