Не только над нашей головой, но и под нашими ногами - неисчерпаемый источник энергии. Это - тепло земных недр. Геотермальная энергетика перспективнее остальных возобновляемых теплоисточников, если не считать гидроэнергии.
Из-под земли можно извлечь тепло, эквивалентное десяткам миллионов тонн условного топлива. Запасы термальных вод рассеяны по всей территории страны, но в основном в Западной Сибири, затем на Кавказе, в Крыму, Средней Азии, Казахстане. Всего доступно для эксплуатации свыше 20 миллионов кубометров кипятка в сутки.
Температура термальных вод и пара бывает очень высокой и достигает 350° С. Но столь горячие источники составляют лишь несколько процентов от всех гидротермальных ресурсов. Преобладает семидесятиградусная вода - две трети подземных водопаровых "котлов".
Очень интересны и многообещающи камчатские кладовые. Именно на Камчатке в 1941 году открыли Долину гейзеров. Сенсация облетела весь мир. Ведь раньше на планете были известны всего три "гейзерных" места - в Исландии, Йеллоустонском парке в США и в Новой Зеландии.
А совсем недавно, в 1983 году, обнаружена еще одна "долина гейзеров" в Забайкалье, в ущельях Удоканского хребта. Правда, гейзерное поле здесь не такое мощное, как на Камчатке. Одна из причин - малое количество осадков в резко континентальном климате Забайкалья, тогда как Камчатку природа водой не обидела.
Поэтому на ней вблизи огнедышащих вулканов много как гейзеров, так и горячих термальных вод.
Неудивительно, что там на реке Паужетке и была построена в 1967 году первая в СССР Паужетская геотермальная электростанция мощностью 5 тысяч киловатт. Температура пароводяной смеси в ее скважинах достигает 200° С.
Паужетский район стал "экспериментальным полигоном" исследований по утилизации подземного кипятка.
Сбросная вода электростанции обогревает радиаторы жилых зданий поселка, течет из кранов. Бетонное шоссе, соединяющее поселок и электростанцию, чистое от наледей и заносов даже в снежные зимы, потому что обогревается горячими водными сбросами.
Сейчас на повестке дня - создание более мощных станций. Соответствующие подземные "котлы" имеются.
Так, вблизи вулкана Мутновский, в ста километрах южнее Петропавловска-Камчатского, найдено большое гидротермальное месторождение. Давление - 40 атмосфер, а температура пара - 270 градусов. Здесь можно построить электростанцию мощностью до 200 мегаватт.
Но прежде нужно решить многие проблемы, связанные с использованием термальных вод. Например, трубы и краны у экспериментальных скважин оказались покрыты белыми натеками. Дело в том, что из минерализированного раствора выделяются различные вещества. Особенно разъедают металл кремниевая кислота и сероводород, образующий серную кислоту. Нужны специальная арматура, приборы, кабели. Остается неясным, как закачивать использованную воду обратно в пласт. Ведь из многих термальных скважин поступает токсичная "минералка", содержащая фенолы, и сброс ее в водные бассейны недопустим.
В 40-50 километрах от Петропавловска-Камчатского на реке Паратунке расположено одно из крупнейших гидротермальных месторождений. Однако температура подземной воды - всего 80 градусов. Чтобы изучить ее эксплуатационные характеристики, была построена первая в мире Паратунская низкотемпературная станция, 13 паровом цикле решено было вместо воды использовать низкокипящую жидкость фреон.
Геотермальные воды особенно удобны для отопления и водоснабжения. Для этих целей они уже используются в городах и поселках Дагестана, Грузии, Камчатки. Около 300 тысяч человек сейчас пользуются геотермальной энергетикой. На очереди - обогрев крупных жилых массивов Алма-Аты, Омска, Тюмени, Ташкента, поскольку вблизи этих городов расположены громадные запасы подземных горячих вод. Там и развернется строительство мощных гидротермальных систем теплоснабжения.
И в европейской части СССР есть местности, богатые подземным кипятком. Например - Прибалтика. Почти на всей территории Прибалтийских республик обнаружен подогретый артезианский бассейн. Температура воды меняется от 20-25 градусов в районе Риги до 70 градусов под Клайпедой. К сожалению, в ней содержится много различных солей. Но если есть возможность их экономично извлечь, то эффективность использования гидротермальных ресурсов возрастает. Так, из прибалтийских гидрозалежей рентабельно добывать бром.
Термальными водами можно отапливать не только жилища, но и теплицы. Сейчас таких "парников" немного - всего 50 гектаров в Краснодарском крае, в Грозном, Махачкале, Петропавловске-Камчатском. Но не утопия - расширить площади до сотен и тысяч гектаров.
Гидротермальные месторождения, расположенные в основном в зонах сегодняшней или давней вулканической деятельности, хранят много энергии. Но еще больше тепла содержат прогретые массы пород в глубинах земли там, где подземный кипяток отсутствует. Такое тепло называют петрогеотермальным.
С каждого квадратного метра поверхности Земли в космос улетучивается тепловой поток мощностью около 0,06 ватта. Другими словами, через территорию нашей страны уходит в пространство поток в полтора миллиарда киловатт. Однако недрам планеты не грозит остывание. Они прогреваются в основном снизу, из горячего ядра земли. Благодаря плохой теплопроводности глубинных пород на поверхности земного шара царит приемлемая для жизни температура. Чем глубже в земную кору, тем "горячее". Но температура меняется медленно - на каждые 30 метров вниз она возрастает на один градус. В некоторых же местах она повышается гораздо быстрее - на один градус чар"ез каждые 2-3 метра вглубь. Здесь-то и выгодно извлекать петрогеотермальную энергию.
Наука о тепловом состоянии земли - геотермика - родилась относительно недавно. В середине прошлого века лорд Томсон (лорд Кельвин) исследовал в своей диссертации, как скоро охладится тело планеты, надеясь на основе вычислений определить ее возраст. Однако задачу удалось решить только после открытия радиоактивности.
Поток радиоактивного тепла из ядра земли на глубинах 4-6 километров в тысячи раз больше всей энергии, потребляемой народным хозяйством СССР. Можно ли его утилизовать?
Способ есть, и в принципе он очень простой. Пробурите ряд скважин. После этого в одни нужно закачивать холодную воду, а из других отбирать подогретую. Если на глубине встретится развитая поверхность теплоотдачи, этот способ окажется вполне эффективным.
Пористые пласты или зоны естественной трещиноватости - удобные породы для отвода тепла. Но ведь не всегда такие породы бывают именно там, где особенно нужно тепло. Поэтому заманчиво создать искусственную трещиноватость.
Нельзя ли применить метод искусственных гидроразрывов, как это делается и при интенсификации добычи нефти? Затем в образующуюся при гидроразрыве трещину пробурить скважины для подачи и отбора воды.
Подобная экспериментальная система для извлечения тепла из горячих пород разработана в США. Однако, несмотря на полученные интересные результаты и открывающиеся перспективы, стоимость извлекаемого тепла оказалась очень высокой. С петрогеотермальными станциями придется подождать.
Второе дыхание ветра
Вернемся опять в Крым, где получали апробацию многие необычные энергоустановки. В 1931 году около Севастополя была построена и проработала до 1942 года самая мощная по тем временам 100-киловаттная ветроэлектрическая станция. В те годы и вплоть до 60-х годов тысячи ветряков - эоловых работников - производили электроэнергию в разных концах нашей страны.
А еще раньше в России, по подсчетам любителей статистики и истории, вертелись лопасти около 250 тысяч ветряков-мельниц.
И это неудивительно. Ведь" местностей, где на протяжении 200 и даже 300(!) дней в году скорость ветра в приземном слое достигает 5-10 метров в секунду, в нашей стране много. Это и Крайний Север, и юг вдоль Черного, Азовского и Каспийского морей. Прибавьте также Тихоокеанское и Балтийское побережья. Даже там, где ветер не отличается постоянством и силой, его все же можно использовать для промышленных и хозяйственных нужд.
И тем не менее в 60-е годы эоловы станции отступили под натиском более дешевых источников энергии на нефти, а потом и на газе. Такая же картина наблюдалась и во многих других индустриальных странах: в ФРГ, США, Испании и в самой "ветреной" стране Европы - Голландии, где поныне украшают ландшафт около тысячи ветряков - памятников старины.
Только ли дешевизна газа и нефти стала причиной неконкурентоспособности ветровых станций? Вряд ли.
Немаловажно, что на протяжении сотен лет ветродвигатели совершенствовались несравненно медленнее, чем энергетические установки других видов.
Ветряные мельницы появились в Европе в VII-XI веках. Пришли они с Востока и Юга. В Китае, Персии, Египте они существовали задолго до нашей эры.
Основные элементы их - башня, редуктор, вертикальная и горизонтальная оси, четыре-шесть лопастей - менялись незначительно на протяжении веков. Конечно, кое-что улучшалось, но ветрякам далеко было до того аэродинамического совершенства, которым обладают крылья самолетов. Лишь в XVIII веке Бернулли и Эйлер, а затем Жуковский заложили основы теории ветровых станций. Сейчас испытания лопастей и ветряных колес ведутся в аэродинамических трубах, создаются все более эффективные конструкции.
Наступило время "второго дыхания" ветра. Вновь начинается массовое строительство ветряков. Пример подает все та же Голландия. Там объявлено о проекте строительства ветроэнергетической установки, состоящей из 10 или 20 ветродвигателей мощностью по 300-500 киловатт. Планируется и создание ветродвигателей мощностью в несколько мегаватт.
Основная трудность связана с переменной силой ветра. Мощность ветростанции пропорциональна скорости воздушных струй в третьей степени. Предположим, станция с диаметром колеса 50 метров при не очень большой скорости ветрового потока - 8 метров в секунду - имеет мощность около 1000 киловатт. Если же скорость понизится вдвое, то мощность упадет сразу до 120 киловатт, а то и ниже. Станция практически перестает работать.
С другой стороны, при возрастании скорости ветра резко повышается мощность, и чтобы ее регулировать, сначала достаточно изменить угол атаки лопастей, а потом при некоторой критической величине нужно останавливать ветроколесо. Естественно, башня должна сдерживать напор бурь и ураганов. С этим связана ее большая металлоемкость и дороговизна
Энергия ветров пока дорога, но кое-где она вполне рентабельна. Так, соединив ветродвигатель с компрессором, можно экономично аэрировать водоемы, вентилировать овощехранилища. Во многих районах ветродвигатели целесообразно сочетать с опреснительными установками. Станции малой мощности способны обслуживать водопойные пункты в степях. В СССР уже налажено производство четырехкиловаттных станций, смонтированных на семиметровой башне. Для орошения оазисов нужны установки с мощностью в десятки и даже сотни киловатт.
Разработан проект большого ветродвигателя мощностью 2500 киловатт в виде огромного двухлопастного колеса диаметром 100 метров, установленного на 60-метровой башне. Пока столь большие мощности доступны лишь в экспериментальных или опытно-промышленных установках. А вот установки мощностью 100-300 киловатт и сейчас можно эффективно использовать, например, в прибрежной 100-километровой полосе вдоль Северного Ледовитого океана - в первую очередь в районах Надымского и Тазовского газовых месторождений, где средняя скорость ветра 5 метров в секунду, а на севере Ямала - вдвое больше.
Существует также проект ветростанции башенного типа с восемью ветровыми двигателями. Башня закреплена на вращающейся тележке и с помощью специального электродвигателя всегда ориентирует ветроколеса в оптимальном направлении. По оценкам проектантов, себестоимость электроэнергии составит всего 0,4 копейки за киловатт-час. Между тем электроэнергия, вырабатываемая на Севере дизельной электростанцией, обходится в 10 раз дороже. Правда, расчеты себестоимости сделаны при допущении, что ветер будет беспрерывно дуть с постоянной скоростью А ведь ветродвигатель даже в "ветреных" северных районах вряд ли проработает на номинальной расчетной мощности больше 2500-4000 часов.
Значит, необходимы аккумуляторы энергии, а они стоят недешево.
Предложено еще несколько интересных конструкций ветродвигателей, в которых изобретатели стараются преодолеть недостатки лопастных ветростанций башенного типа.
Например, по кольцевому рельсовому пути ветер гоняет тележки, снабженные алюминиевыми крыльями-парусами. Колеса тележек соединены с электрогенераторами, отдающими через рельсы ток в сеть. Уже построена небольшая опытная установка с крыльями высотой около 10 метров.
В конструкции, которая получила название "яйцесбивалка", ось ветродвигателя - вертикальная. На ней размощено эллипсовидное алюминиевое кольцо длиной 27 и шириной 5 метров, которое и есть привычная нам лопасть. Высота созданной экспериментальной установки 19 метров (большая ось эллипса), а ширина - 5 метров (малая ось). Мощность двигателя - 100 киловатт.
У этой конструкции - ряд преимуществ. Она использует ветер, дующий с любой стороны. Отпадает необходимость в оборудовании для фиксации и поворота ветродвигателей. Алюминиевые плоскости кольца в пять раз дешевле лопастей из композитных материалов, применяемых в привычных нам ветродвигателях. Кроме того, становится ненужной башня. Впрочем, от дорогостоящей башни удалось избавиться и в другой установке, предложенной немецким инженером Г. Вагнером.
Представьте себе две лопасти с углом между ними 110 градусов. Они вращаются вокруг оси, наклоненной к горизонту под углом 55 градусов. Благодаря такой геометрии башня оказывается лишней. Когда при вращении оси одна лопасть смотрит вверх, то другая проходит над землей горизонтально.
Ветряки Вагнера, автоматически принимающие необходимое положение по отношению к ветру, можно размещать на судах и по"нтонах. На понтоне в Северном море уже работает опытный образец. Есть у этой конструкции и недостатки. С потоком ветра встречается всегда только одна лопасть, и ее длину для получения большой мощности нужно существенно увеличивать. Изобретатель предлагает убрать одну из двух дорогих лопастей, установить вместо нее только противовес. Тем самым можно сэкономить на изготовлении крыла сложного профиля и редукторе, так как ветряк станет вращаться вдвое быстрее.
Разговор о ветро закончим проектом будущего. Примерно раз в месяц на черноморский город Новороссийск обрушивается сильнейший ураган - бора. Раз в год он приобретает катастрофический характер. Виной всему - тянущийся вдоль Цемесской бухты Вакадский хребет.
Он не пропускает с Кубанской низменности, расположенной за хребтом, холодный воздух к морю. Но вблизи от города в хребте есть одна низкая точка - седло, черзз которое время от времени и устремляются скопившиеся воздушные массы.
Специалисты-энтузиасты предлагают "спасти" город от напасти и заодно использовать силу боры. Для этого сквозь хребет нужно пробить три шахты, которые соединяются в один туннель под склоном, обращенным к морю. Затем достаточно установить в туннеле воздушную турбину.