Под геотермикой (от греческих слов «гео» – земля и «термо» – тепло) понимается наука, изучающая тепловое состояние земной коры и Земли в целом, его зависимость от геологического строения, состава горных пород, магматических процессов и целого ряда других факторов.
В ядре Зеилия максимальная температура достигает 4000 °С. Выход тепла через твердые породы суши и океанского дна происходит главным образом за счет теплопроводности (геотермальное тепло) и реже – в виде конвективных потоков расплавленной магмы или горячей воды. Средний поток геотермального тепла через земную поверхность составляет примерно 0,06 Вт/м2 при температурном градиенте менее 30°С/км. Этот непрерывный поток тепла обычно сравнивают с аналогичными величинами, связанными с другими возобновляемыми источниками и в среднем в сумме составляющими 500 Вт/м2. Однако имеются районы с повышенными градиентами температуры, где потоки составляют примерно 10…20 Вт/м2, что позволяет реализовать геотермальные станции тепловой мощностью 100 МВт/км2 и продолжительностью срока эксплуатации не менее 20 лет.
Критерием теплового состояния земного шара является поверхностный градиент температуры, позволяющий судить о потерях тепла Земли. Экстраполируя градиент на большие глубины, можно в какой-то степени оценить температурное состояние земной коры. Величина, соответствующая углублению в метрах, при котором температура повышается на 1°С, называется геотермической ступенью.
В связи с изменением интенсивности солнечного излучения тепловой режим первых 1,5…40 м земной коры характеризуется суточными и годовыми колебаниями. Далее имеют место многолетние и вековые колебания температуры, которые с глубиной постепенно затухают.
На любой глубине температура горных пород (T) приближенно может быть определена по формуле:
, (10.1)
где в 
– средняя температура воздуха данной местности; 
– глубина, для которой определяется температура; 
– глубина слоя постоянных годовых температур; 
– геотермическая ступень.
Средняя величина геотермической ступени равна 33 м, и с углублением от зоны постоянной температуры на каждые 33 м температура повышается на 1°С. Геотермические условия чрезвычайно разнообразны. Это связано с геологическим строением того или иного района Земли. Известны случаи, когда увеличение температуры на 1°С происходит при углублении на 2…3 м. Эти аномалии обычно находятся в областях современного вулканизма. На глубине 400…600 м в некоторых районах, например Камчатки, температура доходит до 150…200°С и более.
В настоящее время получены данные о довольно глубоком промерзании верхней зоны земной коры. Геотермические наблюдения в зоне вечной мерзлоты позволили установить, что мощность мерзлых горных пород достигает 1,5 тыс. м. Так, в районе реки Мархи (приток Вилюя) на глубине 1,8 тыс. м температура составляет всего лишь 3,6°С. Здесь геотермическая ступень составляет 500 м на 1°С. На отдельных платформенных частях территории (на Русской платформе) температура с глубиной примерно следующая: 500 м – не выше 20°С, 1 тыс. м – 25…35°С; 2 тыс. м – 40…60°С; 3…4 тыс. м – до 100°С и более.
Качество геотермальной энергии обычно невысокое, и лучше его использовать непосредственно для отопления зданий и других сооружений или же для предварительного подогрева рабочих тел обычных высокотемпературных установок. Подобные отопительные системы уже эксплуатируются во многих частях света. Если тепло из недр получают при температуре около 150°С, то имеет смысл говорить о преобразовании его в электроэнергию.
Наиболее просто использовать тепло пород с помощью тепловых насосов.
Часть источников геотермальной энергии можно отнести непосредственно к возобновляемым источникам энергии, потому что их тепло так или иначе рассеивается в окружающей среде, подобно теплу горячих ключей и гейзеров. В других же источниках потоки тепла приходится увеличивать, искусственно пробуривая скважины в природные накопители горячих вод, создавая разрывы и активизируя охлаждение горячих горных пород, и поэтому они не могут оставаться возобновляемыми в течение длительного времени.
Внутренняя структура планеты показана на рис. 10.1.
Рисунок 10.1 – Внутреннее строение Земли
Теплопередача от полужидкой мантии поддерживает температурную разность между внешней и внутренней поверхностями сравнительно тонкой коры около 1000°С при среднем градиенте температур около 30°С/км.
Твердые породы, слагающие кору, имеют среднюю плотность 2700 кг/м3, теплоемкость 1000 Дж/(кг·К) и теплопроводность 2 Вт/(м·К). Поэтому средний геотермальный поток составляет примерно 0,06 Вт/м2, а примерно 1020 Дж/км2 в виде тепла аккумулировано в коре. Если за 30 лет преобразовать хотя бы 0,1% этого тепла, то тепловая мощность, которую можно получить, составит 100 МВт/км2. Эти оценки дают представление о ресурсах тепловой энергии и показывают, что геотермальный источник обладает огромным потенциалом.
Земная кора получает тепло в результате: естественного охлаждения и трения ядра; радиоактивного распада элементов, подобных торию и урану; химических реакций. Постоянные времени этих процессов настолько велики по отношению к времени существования Земли, что невозможно даже оценить, увеличивается ее температура или уменьшается. Радиоактивные элементы концентрируются в коре путем фракционной рекристаллизации из расплавов, особенно много их в граните. В течение многих миллионов лет радиационный распад и химические реакции являются единственным источником тепла, а геотермальная энергетика предполагает выведение тепла, запасенного в тепловых хранилищах в толще коры.
Если теплопроводность – единственный механизм теплопередачи, то при распространении тепла через однородные материалы от мантии к поверхности Земли градиент температуры будет постоянным. Он повышается в зонах с плохо проводящими тепло твердыми включениями и снижается в зонах повышенного теплообмена, например насыщенных водой породах, где возникает конвективный перенос тепла. Аномально высокие температурные градиенты часто наблюдаются в местах расположения радиоактивных или экзотермических химических источников.
Земная кора состоит из огромных платформ. Зонам границ платформ соответствует усиление теплового взаимодействия коры с мантией, сопровождающееся сейсмической активностью, наличием вулканов, гейзеров, фумарол и горячих ключей. Потенциал геотермальной энергии этих районов очень велик, им соответствует увеличение температурных градиентов до 100°С/км и активация высвобождения воды в виде пара или перегретой жидкости, часто находящихся под повышенным давлением.
Из-за аномалий в структуре коры районы с умеренным увеличением температурных градиентов (примерно до 50°С) встречаются и на достаточном удалении от границ платформ. В таких районах тепло может высвобождаться естественным образом из-за проникновения воды в зону подогрева, сопровождающегося интенсивным конвективным теплообменом. В результате возникают горячие источники с повышенной концентрацией растворенных химических веществ, часто известные как целебные. Глубоко залегающие зоны подогрева с помощью бурения могут стать источниками тепла с температурой от 50 до 200°С. Если подобные аномалии связаны с материалами, имеющими низкую теплопроводность, например сухими скальными породами, то повышение температурных градиентов достигается за счет относительного увеличения запасенного в породах тепла.
Сведения о геотермальных структурах получают при геологической съемке, проходке шахт, нефтяных скважин. Наиболее важным параметром является температурный градиент, точность измерения которого зависит от сохранения в скважине в процессе бурения невозмущенного поля температур. При глубоком бурении скважин обычно достигают отметки 6 км, но технология бурения остается такой же до глубины 15 км. Технология обустройства таких скважин вполне отработана, так что применительно к строительству ГеоТЭС эта проблема может считаться решенной.
Принято выделять три класса геотермальных районов.
Геотермальный. Температурный градиент – более 80°С/км. Эти районы расположены в тектонической зоне вблизи границ континентальных плит. Первый такой район был задействован для производства электроэнергии в 1904 г. вблизи Лардерелло (Тоскана, Италия). Почти все из существующих ГеоТЭС размещены именно в таких районах.
Полутермальный. Температурный градиент – примерно от 40 до 80°С/км. Подобные районы связаны главным образом с аномалиями, лежащими в стороне от границ платформ. Извлечение тепла производится из естественных водоносных пластов или из раздробленных сухих пород. Хорошо известный пример такого района находится вблизи Парижа и используется для обогрева зданий.
Нормальный. Температурный градиент – менее 40°С/км. Такие районы наиболее распространены, именно здесь тепловые потоки в среднем составляют примерно 0,06 Вт/м2. Маловероятно, чтобы в таких районах даже в будущем стало экономически выгодно извлекать тепло из недр.
В каждом из перечисленных классов в принципе можно получать тепло за счет:
- естественной гидротермальной циркуляции, при которой вода проникает в глубоко залегающие породы, где превращается в сухой пар, пароводяную смесь или просто нагревается до достаточно высокой температуры. Соответствующие выходы наблюдаются в природных условиях. Если на глубине давление возрастает в результате парообразования, то могут возникнуть гейзеры. Эжектируется в этом случае именно горячая вода, а не пар;
- искусственного перегрева, связанного с охлаждением полурасплавленной магмы, застывающей в виде лавы. Первой ГеоТЭС, использующей этот принцип, была станция мощностью 3 МВт, построенная на Гавайах в 1982 году;
- охлаждения сухих скальных пород. Обладающие достаточно низкой теплопроводностью сухие скальные породы в течение миллионов лет накапливают тепло. Создание искусственных разрывов в породах позволяет прокачивать через них воду, отбирая тепло.
На практике ГеоТЭС в гипертермальных районах работают на естественной гидротермальной циркуляции; в полутермальных районах используется как естественная гидротермальная циркуляция, так и искусственный перегрев за счет извлечения тепла из сухих горных пород.
Нормальные же районы обладают слишком малыми температурными градиентами, чтобы предоставлять коммерческий интерес.
10.2. Виды и свойства геотермальных источников
энергии
Сухие скальные породы
Предположим, что определенная масса сухого скального материала расположена в толще коры сравнительно недалеко от поверхности.
Структура системы из сухих горных пород изображена на рис. 10.2.
Рисунок 10.2 – Структура системы из сухих горных пород:
– площадь; 
– поверхностная температура; 
– минимальная полезная температура; 
– температура на максимальной глубине
Скальные температуры имеют плотность 
, удельную теплоемкость 
, площадь поперечного сечения рассматриваемого массива . Для однородного материала в отсутствие конвекции с глубиной температура будет увеличиваться линейно. Если глубина 
растет по направлению от поверхности Земли (где =0), то:
,
где 
– температурный градиент.
Положим, что минимальная допустимая температура соответствует глубине 
, таким образом:
,
.
Полезное теплосодержание 
в элементе толщиной 
на глубине при температуре < 
равно:
Полное полезное теплосодержание скального грунта до глубины оказывается равным:
Пусть средняя допустимая температура, превышающая , равна 
, причем:
.
В этом случае 
, где 
– теплоемкость горных пород, залегающих в слое между и 
:
.
Допустим, что тепло извлекается из пород равномерно, пропорционально температуре, превышающей , с помощью потока воды, имеющего объемный расход 
, плотность 
, удельную теплоемкость 
. В этом непрерывном процессе вода нагревается до температуры .
Таким образом:
,
,
.
Учитывая, что , получим
,
,
где постоянная времени определяется следующим образом:
