CC BY
36
УДК 553.78
ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ВОДЫ: ЭКОЛОГИчЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ханкальского МЕСТОРОЖДЕНИЯ (ПРЕДКАВКАЗСКАЯ ГОРНАЯ ЗОНА)
© А.М. Фархутдинов,
ассистент кафедры,
Башкирский государственный университет, ул. Заки Валиди, 32, 450074, г. Уфа, Российская Федерация, эл. почта: anvarfarh@mail.ru
В современной энергетике выброс парниковых газов является одной из ключевых экологических проблем, существенный вклад в решение которой может внести использование геотермальных вод. Основным парниковым газом, выделяемым работающей геотермальной станцией является С02 (90%), объем которого в 14 раз меньше по сравнению с выбросами при работе газовой электростанции. Более того, при прямом использовании теплоэнергетических вод выбросы углекислого газа пренебрежительно малы. Работа газовой электростанции сопровождается также выделениями экологически вредных оксида серы, ее количество в 22 раза выше, а также оксида азота и твердых частиц, отсутствующих при эксплуатации геотермальной станции. Одним из крупных месторождений теплоэнергетических вод России является Ханкальское (Республика Чечня). В 2013 г. начат проект по строительству пилотной геотермальной станции, использующей воды XIII продуктивного пласта Ханкальского месторождения. Применение геотермальных вод Ханкальской станции позволит избежать выбросов около 7 тыс. т С02 в год, что равнозначно количеству углекислого газа, выделяемого газовой котельной с аналогичной мощностью в 5,45 Гкал/час. Основными негативными экологическими последствиями, сопровождающими разработку геотермальных вод, являются шумовое загрязнение, нарушение поверхностного слоя земли, физическое воздействие, тепловое и химическое загрязнение. Избежать или минимизировать негативное влияние геотермальных станций на экосистемы позволяют современные технологии. Одной из таких технологий является система «дублета», представляющая собой замкнутый контур из продуктивной и нагнетательной скважин и подразумевает, как правило, 100%-ную обратную закачку использованной геотермальной воды. Установка «дублета» намечена на Ханкальском месторождении. Использование геотермальных вод как альтернативы традиционным видам энергии дает возможность существенно улучшить региональную экологическую обстановку.
Ключевые слова: альтернативные источники энергии, теплоэнергетические воды, Ханкальское месторождение, экология, выбросы парниковых газов
© A.M. Farkhutdinov
GEOTHERMAL WATERS: ECOLOGICAL ASPECTS OF THEIR EXPLOITATION IN THE KHANKALA DEPOSIT (CIS-CAUCASIAN MONTANE zONE)
In the modern energy sector greenhouse gas emission is one of the environmental key issues, and geothermal water use can make significant contribution to its solution. The major greenhouse gas emitted by operating geothermal power plants is CO2 (90%), and its volume is 14 times less than the emissions from gas power plants. Moreover, carbon dioxide emissions in case of the direct geothermal water use are negligible. Working of a gas power plant is also accompanied by release of sulfur dioxide, the amount of which is 22 times higher, nitrogen oxide and particulate matter, emissions of which are zero at a geothermal plant. One of the largest geothermal water deposits of Russia is Khankala (Republic of Chechnya). In 2013, a pilot project was launched in order to build a geothermal plant that uses water of the 13th productive layer of the Khankala deposit. The use of geothermal waters at the Khankala station will allow avoiding emissions of about 7 thousand tonnes of CO2 per year, equivalent to the amount of carbon dioxide emitted by a gas boiler with similar capacity of 5.45 Gcal/h. The main negative environmental effects that accompany exploitation of geothermal waters are noise, soil surface disturbance, physical impact, thermal and chemical pollution. Modern technologies allow it to avoid or
Bashkir State University 32, ulitsa Validy,
450074, Ufa, Russian Federation, e-mail: anvarfarh@mail.ru
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2015, том 20, № 4 (80) lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll
геотермальные воды; экологичекие аспекты эксплуатации.
f
minimize the negative impact of geothermal power plants on ecosystems. One of such technologies is the «doublet» system represented by a closed loop of production and injection wells and generally implies 100% reinjection of the already used geothermal water. The "doublet" installation is planned to be built at the Khankala deposit. The use of geothermal waters as an alternative to traditional types of energy makes it possible to significantly improve regional ecological conditions.
Key words: alternative sources of energy, geothermal waters, Khankala deposit, ecology, greenhouse gas emission
Основным источником пополнения бюджета России являются энергоресурсы, и наша страна является одной из богатейших по их запасам. Однако постоянный рост в использовании и экспорте таких традиционных источников энергии, как нефть, газ и уголь приводит к их неуклонному сокращению, а разработка и разведка новых месторождений оказывают негативное влияние на окружающую среду. Альтернативой традиционным источникам являются возобновляемые виды ресурсов, которым в современной мировой энергетике уделяется все больше внимания.
Поддержка возобновляемых источников энергии позволяет сократить выбросы парниковых газов, негативно влияющих на окружающую среду и климат. На решение этих экологических проблем в России направлены следующие документы международного и национального уровня:
— Киотский протокол — это первый договор, который обязал страны, ратифицировавшие его, сократить выбросы парниковых газов. Цель ограничений — снизить объем выбросов на 5,2% по сравнению с уровнем 1990 г.
— Концепция энергетической стратегии России на период до 2030 г. [1], определяющая значимость развития потенциала
альтернативной, в частности, геотермальной энергетики.
В докладе «Зеленые инвестиции для достижения экологически чистой энергетической инфраструктуры» на Международном экономическом форуме геотермальная энергия называется одним из 8 ключевых возобновляемых источников энергии, покрывающих базовую энергетическую нагрузку.
Основным парниковым газом, выделяемым работающей геотермальной станцией является С02 (90%), объем которого значительно колеблется. Среднее взвешенное значение составляет 122 г С02/кВтч, варьируя от 4 до 740 г С02/кВтч. Для сравнения: газовая электростанция за мегаватт-час выделяет углекислого газа больше почти в 14 раз. Кроме того, работа газовой электростанции сопровождается выбросом оксида серы, количество ее в 22 раза выше, а также оксида азота и твердых частиц, отсутствующих при эксплуатации геотермальной станции (табл. 1) [2; 3; 4; 5].
В бинарных геотермальных электростанциях с замкнутым контуром, где прошедшая через теплообменник вода полностью нагнетается обратно, количество выбросов С02 близко к нулю.
Таблица 1 — Количество вредных выбросов при работе электростанций различного типа [4; 5]
Тип электростанции CO2, кг/МВт-ч SO2, кг/МВт-ч NO , x' кг/МВт-ч Твердые частицы кг/МВт-ч
Угольная 998 8,5 1,955 1,012
Нефтяная 758 5,44 1,814 -
Газовая 390,6 0,002 1,343 0,0635
Геотермальная (сухой пар) 27,1 0,00009 0 0
Геотермальная (парогидротермы) 180 0,16 0 0
Бинарная геотермальная 0 0 0 Незначительно
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2015, том 20, № 4 (80) lllllllllllllllllllllllllllllllllllllllIIIIIIIIIIIIIIU03
Все выбросы парниковых газов геотермальных установок, прямо или косвенно связанных со строительством, использованием и выводом из эксплуатации, учитываются при оценке «жизненного цикла» станции (life-cycle assessment). В этом случае количество выбросов парниковых газов варьирует от 14,3 до 57,6 г эквивалента CO2 за киловатт-час для систем централизованного теплоснабжения, использующих геотермальные воды, и от 180 до 202 для геотермальных электростанций [6].
Одним из крупных месторождений теплоэнергетических вод России является Ханкальское, расположенное в 10 км к юго-востоку от г. Грозного. Месторождение находилось в эксплуатации с 1976 по 1994 год, но из-за начала войны и последовавших экономических проблем его использование в промышленных масштабах прекратилось [7].
В 2013 г. Грозненский государственный нефтяной технический университет имени М.Д. Миллионщикова, ООО «АрэнСтрой-центр» и Государственный геологический музей имени В.И. Вернадского РАН (ГГМ РАН) в составе консорциума «Геотермальные ресурсы» при поддержке Министерства образования и науки РФ и научном сопровождении BRGM («Бюро геологических и горных исследований», Франция) начали проект по строительству пилотной геотермальной станции, использующей воды XIII продуктивного пласта Ханкальского месторождения Чеченской Республики [8].
Ханкальское месторождение представляет собой многопластовую систему продуктивных слоев, сложенных песчаниками чокракского и караганского горизонтов среднего миоцена (XXII—XV пласты чокрак-ского, XIV—I караганского горизонта), переслаивающихся с глинистыми прослоями (см. рис. 1). В гидрогеологическом плане относится к Восточно-Предкавказскому артезианскому бассейну, в тектоническом — приурочено к юго-восточному погружению Октябрьской антиклинальной структуры.
Планируемая тепловая мощность геотермальной станции на базе вод XIII продуктивного пласта — 5,45 Гкал/час. Работать стан-
104
Рис. 1. Средненормальный разрез продуктивной толщи Ханкальского месторождения [9]
ция будет 7 мес в году (15 октября—15 апреля) — период, когда существует необходимость в отоплении тепличного комплекса [10].
При прямом использовании геотермального тепла Ханкальского месторождения выделения углекислого газа пренебрежительно малы [11]. Применение геотермальных вод XIII продуктивного пласта на Ханкальской станции позволит избежать выбросов около 7 тыс. т С02 в год, что равнозначно количеству углекислого газа, выделяемого газовой котельной с аналогичной мощностью в 5,45 Гкал/час (работающей в отопительный период).
Наряду с экологическими, преимуществами геотермальных источников также являются энергетическая независимость и безопасность поставок, природное происхождение, независимость от цен на углеводороды и т.д. Кроме того, геотермальные ресурсы, в отличие
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2015 том 20, № 4 (80) IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
геотермальные воды; э к олог и ч е к и е аспекты эксплуатации...
от других возобновляемых источников энергии (солнца, ветра, и гидроэнергетика), менее зависимы от погодных изменений и всегда являются доступными для использования.
В отношении негативных воздействий, сопровождающих разработку геотермальных вод, в т.ч. Ханкальского месторождения, они преодолимы с помощью современных технологий.
1. Шумовое загрязнение: шум оборудования во время бурения, строительства. Однако после окончания строительства и ввода в эксплуатацию работа геотермальной электростанции, как правило, производит меньше шума, чем «шелест листьев от ветра» в соответствии со стандартами уровня шумового загрязнения [4].
2. Нарушение поверхностного слоя земли, возникающее при сооружении станции, как и при любой другой строительной деятельности, и влияющее на флору, фауну, почву и поверхностные воды. Вместе с тем существуют примеры незначительных изменений ландшафта (Мацукава, Япония) и интегрированного использования территории (туризм/ энергетика — Вайракей, Новая Зеландия и Голубая лагуна, Исландия) [12].
Площадь территории, отведенной для Ханкальской геотермальной станции, составляет 4 900 м2, при этом площадь самой станции, включая скважины — 406 м2.
3. Физическое воздействие. Эксплуатация геотермальных вод сопряжена с такими природными факторами риска, как микроземлетрясения, извержения гидротермального пара и просадка грунта. Просадка грунта наблюдалась на территории нескольких ресурсов высокотемпературных геотермальных вод, где снижение давления повлияло на хорошо сжимаемые толщи пород, что привело к их аномальному уплотнению [13]. Оценка геологических рисков и использование направленной обратной закачки для поддержания давления на важнейших глубинах позволяют избежать таких последствий, либо свести к минимуму проседание грунта [14].
4. Воздействие на природные термальные источники. Разработка XIII продуктивного пласта, к примеру, повлияла на дебит
Восточных источников в Горячеводске, а эксплуатация XXII пласта была запрещена Гос-гортехнадзором для защиты Серноводских источников от истощения.
5. Тепловое и химическое загрязнение вследствие слива геотермальной воды на поверхность. Большинство вредоносных химических веществ геотермальных вод находится в жидком состоянии, что наносит вред экосистемам при их попадании в случае значительного превышения естественного содержания химических элементов [14].
Современным способом, позволяющим предупредить или минимизировать негативные последствия, описанные в пунктах 3, 4, 5, является технология «дублетов», впервые примененная во Франции в 1969 г. Данная технология представляет собой замкнутый контур, состоящий из продуктивной и нагнетательной скважин, и подразумевает, как правило, 100%-ную обратную закачку использованной геотермальной воды. На Ханкальском месторождении также намечена установка «дублета» (см. рис. 2) [15].
Фундаментальной проблемой геотермии является вопрос формирования температурного режима теплоэнергетических вод. Построенная автором математическая модель XIII продуктивного пласта Ханкальского месторождения выявила наиболее высокие значения температур в юго-восточной части, приуроченной к антиклинальной складке [16]. Данная закономерность свидетельствует о роли тектонического фактора как дополнительного источника тепла, обусловленного движением тектонических пластин по главному южному разлому Ханкальского месторождения. Взаимосвязь температурного режима геотермального источника с тектонической активностью, как и общий характер распространения теплоэнергетических вод на Северном Кавказе, объясняется в рамках шарьяжно-надвиговой теории [17], рассматривающей регион Предкавказья в качестве мобильной тектонической зоны. Согласно данной теории, шарьяжи представляют главные структурные элементы литосферы, движением которых обусловлены основные
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2015, том 20, № 4 (80) 111111111111111111111111111111111111111НННННННЩЕ
Рис. 2. Схематический рисунок «дублета» Ханкальского месторождения
геологические процессы и феномены. Применение теории шарьяжей позволит более целенаправленно производить поиск и разработку теплоэнергетических вод, что будет способствовать снижению экологической нагрузки на окружающую среду.
Разработка теплоэнергетических вод обладает важными экологическими преимуществами и является одной из альтернатив традиционным источникам в современной
энергетике [18]. Применение технологии «дублета» с обратной закачкой получаемых геотермальных вод, наряду с мониторингом и надлежащим экологическим управлением, позволяет решить проблему негативных последствий эксплуатации данного ресурса.
Использование геотермальных вод, частично замещая традиционные виды энергии, дает возможность существенно улучшить региональную экологическую обстановку.
ЛИТЕ РАТУРА
1. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года. Утверждена Распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 г. № 1715-р. URL: http://minenergo.gov.ru/aboutminen/energostrategy/ (дата обращения: 10.10.15).
2. Bertani R., Thain I. Geothermal power generating plant CO2 emission survey. International Geothermal Association (IGA) News. 2002, 49, pp. 1-3 (ISSN: 01607782).
3. Kagel A. A Handbook on the Externalities, Employment, and Economics of Geothermal Energy. Geo-
thermal Energy Association, Washington, DC, USA, 2006. 65 p. www.geo-energy.org/reports/Socioeco-nomics%20Guide.pdf. (дата обращения: 10.10.15).
4. Kagel, A. Bates, D. Gawell, K. A Guide to Geothermal Energy and the Environment; Geothermal Energy Association: Washington, DC, USA, 2005. 75 p.
5. Matek B. Promoting Geothermal Energy: Air Emissions Comparison and Externality Analysis. Washington, DC: Geothermal Energy Association (GEA). Accessed September 20th, 2013. http://geoenergy.org/ events/Air%20Emissions%20Comparison%20and%20 Externality%2 Analysis_Publication.pdf. (дата обращения: 10.10.15).
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2015 том 20, № 4 (80) IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
A.M. Ф
