ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ, СВЯЗАННЫЕ С НИМИ. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ ЖИЛЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС) — вид тепловых электростанций, которые вырабатывают электрическую энергию из тепловой энергии подземных источников (например, гейзеров). Геотермальная энергия — это энергия, получаемая из природного тепла Земли. Достичь этого тепла можно с помощью скважин. Температура в скважине возрастает в среднем на 1 °C каждые 36 метров. Это тепло предоставляется на поверхность в виде пара или горячей воды. Такое тепло может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии. Термальные регионы имеются во многих частях мира. По различным подсчетам, температура в центре Земли составляет, минимум, 6650 °C. Скорость остывания Земли примерно равна 300—350 °C в миллиард лет. Тепловой поток, текущий из недр Земли через ее поверхность, составляет 47±2 ТВт тепла (400 тыс. ТВт⋅ч в год — в 17 раз больше, чем выработка всей мировой энергетики), а тепловая мощность, вырабатываемая Землёй за счет радиоактивного распада урана, тория и калия-40, примерно оценивается в 13–61 ТВт. На территории Беларуси исследовано множество скважин, включая те, которые были пробурены для обеспечения питьевой водой. Тепловые карты этих скважин позволяют обнаружить геотермальные аномалии и использоваться в качестве основы для оценки плотности геотермальных ресурсов. С увеличением глубины таких скважин также растет температура геотермальных горизонтов. Например, в Припятском прогибе (Гомельская область) мощность платформенного чехла может достигать 5-5,5 км, в то время как в Белорусской антеклизе она ограничена глубинами 300-500 м, а иногда и 650 м. Для эффективного использования подземного тепла рекомендуется выбирать более глубокие геотермальные горизонты, однако в таких горизонтах увеличивается минерализация термальных рассолов, что затрудняет извлечение тепла. Наиболее подходящие условия с технологической точки зрения представлены источниками геотермальной энергии в горизонтах платформенного чехла с пресными водами. Зона распространения пресных вод меняется от приблизительно 150 до 300 м в северной, восточной и южной частях республики, но в западной части Беларуси она превышает 400 м, а в приграничной с Польшей территории опускается до 1000 м. Для сопоставимой оценки геотермальных ресурсов, заключенных в зоне пресных вод, целесообразно изучать интервал глубины 100-200 м, где такие воды присутствуют на всей территории страны. В этом интервале имеется ряд водоносных толщ, разделенных слабопроницаемыми отложениями с гидрогеологическими окнами, что позволяет рассматривать этот интервал как единый геотермальный горизонт. Суть геотермальных ресурсов заключается в возможности экономически выгодного извлечения части геотермальной энергии в ближайшем будущем. Среди различных методов количественной оценки плотности геотермальных ресурсов применяется модель объемного содержания тепла, которая предполагает использование системы дублетов скважин (добывающей и нагнетательной) для извлечения геотермальной энергии. Этот метод активно используется в странах Западной Европы. Для его применения необходимо знать распределение температуры на верхней границе изучаемого интервала (например, на глубине 100 м), пористость, объемную теплоемкость пористой среды, а также толщину слоя (в данном случае 200 – 100 = 100 м).

Геотермальная энергия: альтернативный источник электропитания Энергетический потенциал подземных течений (ГеоТЭС) базируется на извлечении природного теплового запаса Земли. Эффект достигается за счет добычи горячей воды и пара, которые образуются при бурении скважин до глубин с температурой 1°C/36м. В мире существуют многочисленные термальные регионы, где температура в земных недрах превышает 6000 °C. Тепловой поток от центра планеты составляет аномальные 47 ТВт (400 тыс. ТВт-ч ежегодно). Радиоактивный распад урана, тория и калия-40 генерирует мощность в диапазоне 13–61 ТВт. На территории Беларуси активно исследуются геотермальные ресурсы с использованием карт тепловых аномалий. В Припятском прогибе (Гомельская область) доступны горизонты глубиной до 5,5 км, тогда как в Белорусской антеклизе — лишь около 300-650 м. Оптимальные условия для геотермии связаны с наличием пресных вод. В республике их зона варьируется от 150 до 400 м и даже достигает 1000 м в западных районах, ближе к польской границе. Для универсальной оценки ресурсов ключевым является интервал глубины между 100-200 м. В этом диапазоне существуют слои с пресной водой и слабопроницаемыми отложениями, создающие единый геотермальный горизонт. Методика оценки плотности ресурсов включает использование системы дублирующих скважин (добыча-инжекция) в сочетании с изучением температурного распределения на глубине 100 м, пористости пород и их теплоемкости. Толщина слоя для расчета составляет 100 метров. Главная перспектива геотермальной энергетики — экономически выгодное внедрение в ближайшие годы как альтернативы традиционным источникам энергии, активно применяемое на Западе.

Карта распределения температуры на глубине 100 м представлена на рисунке ниже

обозначения: 1, 2 – суперрегиональные и региональные разломы поверхности фундамента, 3 – изотермы, ˚С, 4 – изученные скважины, 5 – населенные пункты. аномалии повышенных значений температуры: I – Гродненская, II – Молодечненско-Нарочанская, III – Западно-оршанская, IV – Чечевичско-Речицкая, V – Припятская, VI – западного склона Воронежской антеклизы, VII – Подлясско-Брестская, VIII – Мостовская, IX Ляховичско-Ельненская, X – Туровская, XI – Выступовичско-Ельская, XII – Кобринско-Пружанская. аномалии пониженных значений температуры: а – Восточно-оршанская, B – восточной части Белорусской антеклизы, C – Червенского структурного залива, D центральной части Белорусской антеклизы, E – Центрально-Белорусского массива. Красными жирными линиями изображены границы положительных структур: Белорусской антеклизы, Полесской седловины и Воронежской антеклизы по изогипсе 500 м, а синей линией – границы оршанской впадины по изогипсе 700 м, соответственно.

С учетом того, что точность использованных скважинных электротермометров была примерно ±0.03 °C, изотермы проведены через интервал 0.5°C. Положение исследованных скважин показано на карте красными кружками. Некоторые области, такие как Балтийская и Московская синеклизы, а также Латвийская седловина, остаются слабо изученными и требуют дополнительной информации. Изотермы за пределами Беларуси были построены с использованием экстраполяции, и их конфигурация требует дальнейшего уточнения. Температурное поле на глубине 100 м показывает контрастные значения, с региональными и локальными аномалиями, где температура варьируется от 7 до 11.5 °C. Высокие значения (более 8 °C) наблюдаются в северной зоне Припятского прогиба, Подлясско-Брестской впадине и на западном склоне Воронежской антеклизы, где присутствуют положительные геотермические аномалии. Недостаточное количество достоверных данных по температуре на глубине 100 м влияет на формирование изотерм в Припятском прогибе. Главная ось положительной аномалии параллельна Северо-Припятскому бортовому разлому.В оршанской впадине существует Восточно-оршанская аномалия низких значений температуры 6.5 – 7.5°C в треугольнике между гг. орша – Смоленск – Чериков. она включает почти всю Могилевскую мульду, ее продолжение в России проведено неуверенно из-за нехватки геотермических данных. Западно-оршанская аномалия повышенной температуры (от 8 °C до 11.5 °C), ориентированная в меридиональном направлении, прослеживается от северной зоны Припятского прогиба через западную часть оршанской впадины и восточный склон Белорусской антеклизы по линии гг. Речица – Светлогорск – Березино – Борисов – Лепель – Невель, разветвляясь в северной части от г. Езерище через Витебск достигает широты орши. Ее северное окончание в районе Езерище и Невеля выделяется неуверенно, поскольку на российской стороне изучена только скважина, санатория «Голубые озера». В южной части этой полосы можно проследить локальную Белыничско-Чечевичско-Речицкую аномалию повышенной температуры более 8.5 °C, вытянутую в меридиональном направлении. она выделяется по 8 скважинам и на севере и по изолинии 8 °C достигает широты г. Борисова, отделяя восточный склон Белорусской антеклизы и Червенский структурный залив от основной части оршанской впадины. Западная часть Чашникско-Полоцкой аномалии пониженных значений температуры на долготе г. Полоцк соединяется с единой аномалией пониженной температуры восточного склона Белорусской антеклизы и Червенского структурного залива оршанской впадины. В северном направлении она продолжается в пределы Латвийской седловины.

Принимая во внимание точность измерений электротермометров, составляющую около ±0.03°C, были рассчитаны и нанесены на карту изотермы с шагом 0.5°C; местоположение скважин отмечено красными маркерами. Области Балтийской и Московской синеклиз, а также Латвийская седловина остаются недостаточно исследованными, требуя более подробных данных. Возвращаясь к температурному распределению на глубине 100 м: наблюдается значительный контраст от 7 до 11.5°C с региональными и локальными аномалиями: - Высокие значения (более 8°C) характерны для зоны северной Припяти, подлясско-Брестской впадины и западного склона Воронежской антеклизы. - Недостаток достоверных измерений затрудняет определение изотерм в Припятском прогибе. Главная ось положительной аномалии следует параллельно Северо-Припятскому разлому. В Оршанской впадине выделяется Восточно-оршанская зона с низкими температурами (6.5–7.5°C), охватывающая почти всю Могилевскую мульду и частично простирающаяся на территорию России, где данные менее уверенны. Западно-оршанская аномалия повышенной температуры от 8 до 11.5°C протягивается меридионально: - От северного Припятского прогиба через западную часть Оршанской впадины. - Через восточный склон Белорусской антеклизы, следуя по линии Речица – Светлогорск – Березино и далее до Лепеля и Невеля. Её северное окончание (в районе Езерище) определяется с неполной уверенностью из-за ограниченных данных на российской стороне. В южной части выделяется локальная аномалия, охватывающая Белыничско-Чечевичско-Речицкую зону и достигающая широты Борисова. Западная часть Чашникско-Полоцкой аномалии с пониженными значениями (на долготе Полоцка) соединяется с общей низкотемпературной аномалией восточного склона Белорусской антеклизы и Червенского залива. Направляясь на север, она проникает в пределы Латвийской седловины. Таким образом, представленное температурное поле отражает сложную картину с множеством аномалий, требующих дальнейшего детального изучения и уточнения.

Изотерма 9.5°C, окаймляющая восточную часть Подлясско-Брестской впадины, продолжается через Полесскую седловину на территорию Украины. Брестская аномалия изолинией 9 °C соединяется через эту седловину с аномалией повышенной температуры Припятского прогиба. Далее она огибает Белыничско-Речицкую аномалию, охватывает западный склон Воронежской антеклизы и продолжается в пределы России. Гродненская аномалия повышенной температуры более 9 °C вытянута в меридиональном направлении и достигает на севере белорусско-литовской границы.

Молодечненско-Нарочанская аномалия значений температуры более 8 °C ориентирована в меридиональном направлении. она достигает на севере сочленения границ Беларуси, Литы и Латвии и разделяет аномалию пониженных значений температуры Белорусской антеклизы на две части – аномалию восточного склона антеклизы и аномалию центральной части антеклизы (Центрально-Белорусскую аномалию). Наконец, Ляховичско-Ельненская аномалия повышенных значений более 8 °C также имеет меридиональное простирание.

Геотермальные ресурсы кембрийских отложений Подлясско-Брестской впадины представляют значительный потенциал для извлечения геотермальной энергии из горизонтов с повышенной температурой. Исследования показывают, что наиболее высокие значения температуры и плотности ресурсов соответствуют нижним геотермальным комплексам, включая кембрийские отложения. Глубина до кровли и подошвы кембрийского комплекса изменяется в зависимости от местоположения скважин, что влияет на значения температуры. Восточная часть региона характеризуется уменьшением глубины комплекса и, следовательно, температуры, в то время как в западной части происходит погружение продуктивных толщ на большую глубину, что приводит к увеличению температурных значений. Таким образом, общая тенденция связана с увеличением температуры на кровле кембрийских отложений с востока на запад.

Протерозойские отложения между населенными пунктами Брест – Видомля – Каменец, обладающие значениями температуры от 35 до 40 ºC и содержащие минеральные воды, также представляют интерес, хотя не рассматриваются в данном контексте.

По результатам выполненного исследования показано, что извлекаемые ресурсы геотермальной энергии имеются в зоне распространения пресных вод на всей территории республики. однако их плотность изменяется в широком диапазоне от приблизительно 10 – 12 кг.у.т./м2 (интервал глубины 100 – 200 м) до 300 – 350 кг.у.т./м2 в глубоко погруженных участках кембрийских отложений в Брестской области. Преимуществом использования геотермальной энергии из зон, насыщенных пресными водами является то, что после снятия тепла эти воды не требуют их возврата в подземные горизонты и могут быть использованы для различных практических нужд, в том числе и для питьевого водоснабжения. Это удешевляет сооружение геотермальных установок и снижает сроки их окупаемости.

Список литературы:

1. Зуй В.И. Тепловой поток и геотермические аномалии оршанской впадины // Проблемы водных ресурсов, геотермии и геоэкологии. Материалы Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.В. Богомолова в двух томах. 2005. Т. 1. - С. 259-261.
2. Зуй В.И. Геотермические условия территории Беларуси / Мониторинг. Наука и технологии. 2009, № 1, С. 3 – 26.
3. Зуй В.И. Ресурсы геотермальной энергии г. Бреста и прилегающих районов / актуальные проблемы природопользования Брестской области. Минск, Беларуская навука. 2009б. С. 158 – 218.
4. Зуй В.И., Жук М.С. Тепловое поле геологических структур Беларуси // Литосфера. – 2006. – № 2 (25). – С. 111–127.
5. Кудельский, а.В., Пашкевич В.И., Карабанов а.К., Павловская И.Э., Коркин В.Д. Гидросфера Беларуси на новейшем тектоническом этапе // Доклады НаН Беларуси. – 2000. – Т. 44, № 6. –  С. 79–83.