Для человечества во многом неизведан природный смысл вулканов, которые с одной стороны хранят в себе неисчерпаемые запасы возобновляемой тепловой энергии, с другой – периодически извергают на поверхность Земли огромные потоки лавы и в сотни и тысячи раз превышающие их объем – перегретые газы. Человек давно использует геотермальное тепло, однако противостоять разрушительной силе вулканических извержений пока не научился. В данном материале, на основе современных достижений науки и техники, пойдет речь об инновации «Предотвращение извержений вулканов с одновременным повышением КПД геотермальных электростанций», которая может стать существенным дополнением к развитию «чистой» энергетики будущего, оттесняя на задний план экологически опасные уголь, нефть и уран.
НЕИСЧЕРПАЕМЫЕ ЗАПАСЫ ГЕОТЕРМАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ
Среди возобновляемых источников энергии наиболее перспективными и готовыми для широкого практического применения являются источники геотермальной энергии. Как показывают многочисленные исследования, внутри Земли заключено тепла намного больше, чем можно было бы получить его в ядерных реакторах при расщеплении всех земных запасов урана и тория. Согласно подсчетам, энергетический потенциал тепла на глубине 10 км в 50 тысяч раз превышает энергию мировых запасов природного газа и нефти. Пригодные для использования тепловые ресурсы этой глубины составляют около 1 % или 137 трлн тонн условного топлива. По оценкам специалистов, если человечество будет расходовать только геотермальную энергию, пройдет 41 млн лет, прежде чем температура недр Земли понизится только на полградуса.
ХАРАКТЕРНАЯ ПРОБЛЕМА ГЕОТЭС
Характерной проблемой для многих геотермальных электростанций (геоТЭС) является малый удельный тепловой поток. Установленное на геоТЭС оборудование обычно позволяет получать большее количество электроэнергии, однако, по приведенной выше причине, они работают не на полную мощь. Например, исполнительный директор ЗАО «Энергия Южно-Курильская» Геннадий Добрусин, объясняя, почему его геоТЭС не работает на полную мощность, сообщил: «Потому что не хватает пара. На каждый модуль требуется 38 тонн пара, а у нас сейчас месторождение столько не выдает».
Для повышения КПД геоТЭС изобретатели ищут более эффективные методы и способы концентрации и передачи теплового потока к местам его применения, унификации технологических схем и оборудования геотермальных электростанций.
С той же целью для создания экспериментальных геоТЭС вблизи вулканов проводится бурение скважин глубиной более 3 км, для получения геотермальной воды и пара с температурой более 190 °C, большей, чем на традиционных геоТЭС. Однако более короткий путь к энергии раскаленных недр начинается в кратере вулканов.
ПОДСКАЗКА ОКЕАНИЧЕСКИХ ВУЛКАНОВ
Вулканические извержения уничтожают на своем пути все живое, не щадя порой целые города. В подобных случаях иногда говорят: «Что нам мешает, то нам поможет». Другими словами, речь идет о жизненной необходимости симбиотического (по-гречески «symbíosis» - сожительство) взаимодействия человечества с вулканами.
Предлагается принципиально новое устройство для повышения КПД геоТЭС. Оно сформировалось в результате поиска и отыскания технической возможности предотвращения извержений вулканов.
В результате анализа наблюдений за «поведением» океанических вулканов выяснилось, что они «заявляют» о себе чаще сухопутных. А «напившись» воды, временно прекращают свою активность.
Это навело на мысль аналогичной возможности предотвращения извержений сухопутных вулканов, только не естественным, а искусственным способом (при помощи устройства - вулканического парогенератора высокого давления) с одновременным увеличением теплового потока для повышения КПД геоТЭС.
При разработке вулканического парогенератора высокого давления и способа предотвращения извержений вулканов с одновременным повышением КПД существующих геотермальных электростанций учитывались современные достижения науки и техники, в частности мировой опыт бурения сверхглубоких скважин и эксплуатации различных типов геоТЭС, а также риски встречи воды с водородом и магмой.
РИСКИ ВСТРЕЧИ ВОДЫ С ВОДОРОДОМ И МАГМОЙ
В результате анализа риска встречи воды с водородом в результате бурения скважины в кратере и канале вулкана до горячих сухих горных пород и магмы (вблизи неокисленного водорода) возникло понимание наличия необходимого резерва времени для создания вулканического парогенератора высокого давления. При этом учитывалось то, что вулканы на начальном этапе субдукции (*) не образуются, и их водородный потенциал начинает расти после достижения ею 100-километровой глубины. Затем происходят следующие друг за другом процессы:
• С границы ядра и нижней мантии по естественным газопроводам поднимается водород, концентрация которого на границе верхней мантии и земной коры достигает критической массы, в результате чего в канале вулкана пробивается «пробка» из застывших вулканических пород, образовавшаяся после предыдущего извержения. Длительность «сверлящего» давления водорода может быть разнообразной. Поэтому вулканы иногда долгие годы «дымятся» без извержения лавы.
• Образование перемещающегося вверх сейсмического узла, который с 30-километровой глубины к каналу вулкана поднимается с периодом от 6 месяцев до одного года, порой сопровождаясь свечением (горением водорода) над кратером.
• На глубине 2–3 км в канале вулканов происходят поверхностные окислительные процессы, связанные с горением газов (в основном водорода) при их соединении с небольшим количеством кислорода, растворенного в циркулирующей в земной коре воде.
• В результате окисления больших объемов водорода происходит высвобождение дополнительной тепловой энергии; нагревание, расплавление и вскипание горных пород земной коры, что завершается вулканическим извержением.
Известно, что при соприкосновении магмы с водой на небольшой глубине или неглубоко под поверхностью Земли, где находятся грунтовые воды, происходит мгновенное испарение воды, которая выбрасывается в виде мощных паровых струй (фреатический тип извержения). Но когда в кратер проникают океанические воды, характер извержения становится более умеренным.
Возможность остановки лавового потока на поверхности Земли искусственным способом (при помощи сильных потоков холодной морской воды) продемонстрировали в 1973 году жители портового города Вестманнаэйяр, расположенного на небольшом острове Хеймаэй у южного побережья Исландии. Промышленная применимость интенсивного отвода водой тепла от лавы с последующим образованием из нее застывшей корки и защитного вала показана в изобретении «Способ защиты от лавы при извержении вулкана» (патент РФ RU 2057839, 04.10.1996).
Техническую возможность искусственного охлаждения магмы в естественных условиях показали в 2008 году американские геологи, которые при бурении скважины в окрестностях одного из самых активных на Земле вулканов Килауэа на главном острове Гавайского архипелага на глубине 2,5 км неожиданно натолкнулись на подземную каверну с расплавленной магмой. Она поднялась вверх на 10 метров, после чего в скважину закачали охлаждающий раствор, и она застыла. Руководитель работ Билл Теплоу заверяет, что вероятность выброса магмы или извержения вулкана в результате бурильных работ близка к нулю.
Понятно, что в любом другом случае для укрощения магмы требуются дополнительные расчеты.
РАВНОВЕСИЕ СИЛ
Создание вулканического парогенератора высокого давления возможно при достижении равновесия вулканической и человеческой активности. Попытаться это сделать можно на вулканах со следующими характеристиками.
Их расположение в местах с наиболее тонким слоем земной коры, где магме, раскаленным газам и перегретому водяному пару легче выбраться на поверхность. Это действующие (спящие), потенциально действующие (затухающие, условно потухшие) и потухшие вулканы, находящиеся в спокойном межэруптивном (по-латыни «eruptus» - выброшенный, изверженный) состоянии в стадии медленных упругих деформаций вулканической постройки, в интервале времени, когда энергии и давления газа под вулканической пробкой еще далеко недостаточно для разрушения и выброса перекрывающих выводной канал образований; в сольфатарной фазе развития (выделение горячих газов и воды) с длительным и умеренным газовыделением («дымящиеся» вулканы), где окисление водорода идет на глубине 2–3 км и непосредственно в кратерах вулканов. Для реализации инновации не подходят вулканы стромболианского типа извержения, у которых от центрального канала отходят небольшие ответвления. По этим ответвлениям может устремиться на поверхность Земли стесненная искусственным способом в канале вулкана магма. По той же причине противопоказано дополнительное бурение скважин, которые используются в работе существующих геоТЭС и на основе которых разработаны способы защиты от воздействия извержений вулканов (патенты РФ: RU2073769, 20.02.1997; RU2098850, 12.10.1997; RU2343508, 01.10.2009).
При обилии в мире предложений предотвращения извержений вулканов на основе бурения скважин в их окрестностях, до сих пор никто не опубликовал идею использования для этого прямого бурения в кратере и канале вулкана. Это напоминает историю о том, как много лет прыгуны в высоту не могли преодолеть психологический барьер в 2 метра. Один перепрыгнул, а следом начали и другие.
Вертикальное бурение в кратере и канале вулкана до горячих сухих горных пород и магмы технически проще осуществить, чем бурение вблизи вулкана, в связи с тем, что оно проводится не в твердых, а в рыхлых породах. К тому же подчеркнем, что оно менее протяженно. Общей сложностью вертикального бурения на глубину более 3 км является агрессивность глубинных газов, высокая температура и высокое давление.
Для создания вулканического парогенератора в России следует обратить внимание, например, на вулканы Камчатки (180 вулканов, из которых 14 действующих, 9 затухающих и более 157 потухших) и Курильских островов (98 вулканов, из которых 25 действующих, 13 затухающих и более 60 потухших).
ВУЛКАНИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
Прототипами устройства - вулканического парогенератора высокого давления - являются: бурильное устройство Кольской сверхглубокой скважины (предназначена для научных исследований); устройства геоТЭС прямого, непрямого и смешанного типов применения геотермальных источников, которые работают на месторождениях горячей воды под давлением, и экспериментальных образцов геоТЭС, которые работают на горячих сухих горных породах (предназначены для теплоснабжения и получения электрической энергии).
В первую очередь вулканический парогенератор предназначен для предотвращения извержений вулканов путем создания гидропробки кратерно-канальной высокого давления, в результате вертикального бурения не двух, а одной скважины в кратере и канале вулкана, и ее подключения не к месторождению горячей воды вблизи вулкана или горячим сухим горным породам повсеместно, а к зоне горячих сухих горных пород и магме (вблизи неокисленного водорода) в кратере и канале вулкана. От прототипов он отличается тем, что парогенератор оборудован следующими конструктивными элементами: одной буровой скважиной; эксплуатационной невращающейся колонной, изготовленной из коррозионно- и термостойких труб (для укрепления стенок скважины, размещения в ней шланга нагнетательного, получения горячей воды, водяного пара, газов и шламов); шлангом нагнетательным высокого давления невращающимся из коррозионно- и термостойких материалов (внизу которого прикреплена гидравлическая турбина, к валу которой прикреплен бур) для закачивания охлаждающего бурового раствора, запуска турбины и охлаждения бура; воронкой стальной (направляющей колонну эксплуатационную); пробкой кратерно-канальной (воронкообразной особопрочной шлюзовой) в кратере и канале вулкана; транспортером отводным шнэковым (для утилизации шламов), соединяющим дно пробки кратерно-канальной с системой утилизации шламов; трубой отводной, соединяющей верх пробки кратерно-канальной с паровой турбиной; геоТЭС (с паровой турбиной, электрогенератором и насосом высокого давления), вышкой буровой, системой утилизации шламов на крышке пробки.
Во вторую очередь устройство предназначено для повышения КПД геоТЭС за счет использования не двух, а одной скважины и пробивающегося через гидропробку кратерно-канальную высокого давления рабочего тела - водяного пара высокого давления, получаемого (на меньших глубинах, при более высоких температурах, 500–600 °C вместо 190 °C и давлении геотермальной среды, чем в скважинах существующих геоТЭС) в результате кипения охлаждающего бурового раствора и поднимающегося по эксплутационной колонне вместе с газами и шламом.
Подводя итог приведенным выше отличиям, подчеркнем, что в вулканическом парогенераторе высокого давления повышение КПД геоТЭС является не целью, а вспомогательной задачей предотвращения вулканических извержений.
1. ГеоТЭС (с паровой турбиной; электрогенератором; насосом высокого давления).
2. Вышка буровая.
3. Система утилизации шламов.
4. Кратер вулкана.
5. Крышка кратерно-канальной пробки.
6. Пробка кратерно-канальная (воронкообразная, особопрочная, шлюзовая).
7. Гидропробка кратерно-канальная высокого давления.
8. Воронка стальная (направляющая колонну эксплутационную).
9. Канал вулкана.
10. Колонна эксплуатационная (невращающаяся, из коррозионно- и термостойких труб; для укрепления стенок скважины, размещения шланга нагнетательного, получения горячей воды, водяного пара, газов и шламов).
11. Шланг нагнетательный высокого давления (невращающийся, из коррозионно- и термостойких материалов, внизу которого прикреплена гидравлическая турбина, к валу которой прикреплен бур, — для закачивания охлаждающего бурового раствора, запуска гидравлической турбины и охлаждения бура).
12. Труба отводная (для смеси водяного пара и газов).
13. Транспортер отводной шнэковый (для утилизации шламов).
14. Турбина гидравлическая (для бурения горных пород).
15. Бур (проектного и последующего периодического бурения).
16. Зона горячих сухих горных пород (в канале вулкана).
17. Зона магмы (вблизи неокисленного водорода).
|
|
Рис. Принципиальная схема вулканического парогенератора высокого давления
Фотоальбом
http://gorsky-alexandr.livejournal.com/pics/catalog/319/578
Принцип работы вулканического парогенератора высокого давления заключается в проектном и последующем периодическом бурении скважины к зоне горячих сухих горных пород и магмы (вблизи неокисленного водорода) в кратере и канале вулкана; периодическом удлинении эксплуатационной невращающейся колонны из коррозионно- и термостойких труб и шланга нагнетательного высокого давления невращающегося из коррозионно- и термостойких материалов; закачивании в шланг нагнетательный под высоким давлением охлаждающего бурового раствора, который после запуска гидравлической турбины, охлаждения бура, сухих горных пород и магмы возвращается наверх в виде смеси горячей воды, водяного пара, газов и шлама; оседании шлама на дне пробки кратерно-канальной, который по транспортеру отводному шнэковому поднимается через крышку пробки кратерно-канальной в систему утилизации шламов; пробивании толщи кипящей в пробке кратерно-канальной воды смесью водяного пара и газов, которая по трубе отводной поднимается через крышку кратерно-канальной пробки в паровую турбину; вращении водяным паром паровой турбины электрогенератора; закачивании охлаждающего бурового раствора под высоким давлением в нагнетательный шланг.
Для повышения эффективности вулканического парогенератора высокого давления требуется дальнейшее изучение глубинных структур вулканов, их трехмерное картирование, улучшение конструкции бура, гидравлической турбины, смазочных материалов и измерительных приборов, а также достаточное финансирование.
В ФАРВАТЕРЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Ископаемое топливо исчерпаемо, и поэтому уже сейчас нужно не только задумываться о поиске альтернативных источников энергии, но и смело проводить технологические эксперименты по внедрению в нашу жизнь возобновляемых источников энергии и способов их получения. Переход к возобновляемым источникам энергии особенно актуален в связи с аварийной ситуацией на АЭС «Фукусима-1» (11.03.2011), возникшей из-за 9-балльного землетрясения и последовавшего за ним 10-метрового цунами. По данным Агентства по ядерной и индустриальной безопасности Японии (NISA) от 07.06.2011, в первые дни кризиса выброс радиоактивных веществ в атмосферу составил до 770 тыс. терабеккерелей. В связи с этим Германия и другие страны ЕС уже думают о полном прекращении использования АЭС.
Наиболее привлекательным возобновляемым источником энергии является геотермальная энергия родной Земли. Ее неисчерпаемые запасы дают надежду на то, что у геотермальной отрасли энергетики большое будущее, которое предоставит возможность отказа от использования невозобновляемых источников энергии.
Природа давно позаботилась о перенаселенном мире, постоянно указывая человечеству места выхода неисчерпаемых запасов возобновляемой энергии и способы защиты от вулканических извержений. Человеку следует только научиться использовать эти подсказки.
Применение инновации «Предотвращение извержений вулканов с одновременным повышением КПД геотермальных электростанций» позволит подключиться к зоне горячих сухих горных пород и магмы в канале вулкана, где роль «терминала» выполняет земная мантия. Это поможет усмирить вулканы, избежать трагедий населения, уничтожения городов и стран, спокойно жить и решить энергетические, социально-экономические и экологические проблемы в окрестностях сухопутных вулканов. А там не за горами создание модели предотвращения извержений морских вулканов.
Однако решение этой задачи возможно при условии государственной поддержки, национализации недр, развития науки, модернизации промышленности, пропаганды использования экологически чистых инновационных технологий и объединения усилий международного сообщества.
Для практической реализации концепции возможности предотвращения извержений сухопутных вулканов с одновременным решением задачи повышения КПД геоТЭС требуется создание экспериментального образца.
* -Субдукция - это геологический процесс, в котором океаническая литосфера повторно используется в мантии Земли на сходящихся границах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вулканы как источник энергии // Вести.Ru. 2011. 10 янв.
URL: http://www.vesti.ru/doc.html?id=419399 (дата обращения: 22.06.2011).
2. Выброс радиации при аварии на «Фукусиме-1» недооценилив два раза //Lenta.Ru. 2011. 7 июня.
URL: http://lenta.ru/news/2011/06/07/fallout/ (дата обращения: 22.06.2011).
3. Геотермальное энергоснабжение [Электронный ресурс].
URL: http://esco-ecosys.narod.ru/2005_11/art07_28.htm (дата обращения: 22.06.2011).
4. Дмитриев Л. В. Образование водорода и метана при серпентинизации мантийных гипербазитов океана и происхождение нефти / Л. В. Дмитриев и [др.] // Российский журнал наук о Земле. 1999. Ноябрь. Т. 1. № 6.
5. Использование тепловой энергии Земли // Renewable Energy: ресурс, посвященный вопросам возобновляемой энергетики. 2006. 26 нояб.
URL: http://first.renewable.com.ua/index.php?art_id=10 (дата обращения: 22.06.2011).
6. Какие бывают вулканы // Рochemy.net: [электрон. энциклопедия].
7. Кишкинцев В. Вариант объяснения природы энергии вулканов /В. Киш кинцев // Заметки о жизни: информ.-аналит. сайт-блог.
URL: http://blog.artnn.ru/2010/07/04/obyasnenie-prirodyi-energii-vulkanov (дата обращения: 22.06.2011).
8. На Гавайях добурились до магмы // ВВС [Русская служба Би-Би-Си]: [сайт]. 2008. 17 дек.
URL: http://news.bbc.co.uk/hi/russian/sci/tech/newsid_7786000/7786947.stm (дата обращения: 22.06.2011).
9. Портнов А. М. Вулканы — месторождения водовода / А. М. Портнов // Промышленные ведомости. 2010. Октябрь, декабрь. № 10–12.
URL: http://www.promved.ru/articles/article.phtml?id=2015&nomer=67 (дата обращения: 22.06.2011).
10. Способ воздействия на вулканическую систему [Электронный ресурс].
URL: http://ru-patent.info/20/95-99/2098850.html (дата обращения: 22.06.2011).
11. Способ защиты населенного пункта от разрушения горным лавинным потоком [Электронный ресурс].
URL: http://ru-patent.info/20/70-74/2073769.html (дата обращения: 22.06.2011).
12. Способ защиты от лавы при извержении вулкана [Электронный ресурс].
URL: http://ntpo.com/patents_building_materials/building_materials_10/building_materials_371.shtml (дата обращения: 22.06.2011).
13. Способ предотвращения лавинообразного извержения вулканов // Банк патентов: [Информационный портал российских изобретателей].
URL: http://www.bankpatentov.ru/node/7609 (дата обращения: 22.06.2011).
Живой журнал «Закон Прави»
http://gorsky-alexandr.livejournal.com/7844.html
Горский А.В., Баранников Л.Ф. Предотвращение извержений вулканов / А.В. Горский, Л.Ф. Баранников // Живой журнал «Закон Прави», 22 июня, 2011 г., 00:42, https://gorsky-alexandr.livejournal.com/7844.html (дата обращения: 26.12.2021).
Горский А.В., чл.-корр. ПАНИ, Ph. D.
Баранников Л.Ф., ктн, изобретатель
