Павел Быков
Ядро планеты предоставляет людям неограниченные возможности в сфере энергетики.
Фото с сайта www.landsvirkjun.com
В глобальной энергетике последних 20 лет главными героями стали солнце и ветер. Их рост оказался стремительным: установленная мощность солнечной энергетики уже почти 1,9 ТВт, ветровой – более 1,1 ТВт. Однако вместе с этим стало очевидно и главное ограничение этих источников: они переменны. Даже самая развитая система возобновляемой энергетики нуждается в источниках стабильной генерации, способных работать круглосуточно и компенсировать неизбежную переменность солнца и ветра. Именно здесь геотермия снова становится интересной.
Долгое время она оставалась на периферии энергетического перехода. Сегодня ее мировая установленная мощность составляет около 16 ГВт – на порядки меньше солнечной и ветровой генерации. При всей своей привлекательности геотермальная энергетика десятилетиями оставалась нишевой технологией.
Тепловая энергия Земли огромна. Проблема традиционной геотермальной энергетики заключалась не в отсутствии ресурса, а в том, что она работала только там, где геология уже создала подходящие условия – горячие водоносные горизонты, естественную проницаемость пород и высокие температуры на относительно небольшой глубине. Таких мест на планете немного. Поэтому геотермия долгое время оставалась региональной энергетикой отдельных стран и геологических зон.
Ситуация начинает меняться. В последние годы появились новые технологии, которые пытаются решить главное ограничение отрасли – ее сильную зависимость от природных условий.
До новой волны
Геотермальная энергетика – одна из самых старых форм промышленной генерации электроэнергии. Ее история начинается в 1904 году в итальянском Лардерелло, где впервые было получено электричество из геотермального пара. Уже в 1913 году там заработала первая промышленная геотермальная электростанция. Более века спустя этот район по-прежнему остается одним из символов отрасли.
В течение XX века геотермия развивалась медленно, но устойчиво. Крупнейшим геотермальным полем мира долгое время оставались The Geysers в Калифорнии, мощность которых в лучшие годы приближалась к 2 ГВт, а сегодня составляет около 725–850 МВт. Однако такие месторождения – большая редкость.
Традиционная геотермия требует сочетания высокой температуры пород (обычно выше 150–200 градусов Цельсия), наличия водоносных горизонтов и естественной проницаемости. Подобные условия встречаются лишь в ограниченных геологических зонах – прежде всего в вулканически активных регионах. По этой причине геотермальная энергетика никогда не становилась глобальной отраслью и развивалась как серия региональных энергетических систем.
К началу 2020-х годов мировая установленная мощность геотермальной генерации достигла примерно 15–16 ГВт. Для отрасли с более чем 100-летней историей это сравнительно скромная величина. При этом геотермальные станции отличаются высоким коэффициентом использования установленной мощности – часто выше 90%, – но их масштабирование ограничивалось геологией.
Лучше всего ограничения и возможности традиционной геотермии видны на примерах Исландии и Кении.
Исландия расположена на стыке тектонических плит и в зоне активного вулканизма. Сегодня геотермальная энергия обеспечивает около 30% производства электроэнергии в стране и играет еще более важную роль в теплоснабжении: около 90% домов отапливаются за счет геотермальных ресурсов.
В Африке наиболее яркий пример – Кения. Основные ресурсы сосредоточены в районе Восточно-Африканского рифта. Крупнейший геотермальный комплекс страны – Olkaria – сегодня обеспечивает около 900 МВт установленной мощности, что дает примерно 40–50% электроэнергии страны. Геотермия позволила Кении снизить зависимость от гидроэнергетики, чувствительной к засухам, и от дорогого импорта топлива.
Оба примера демонстрируют сильные стороны геотермии в регионах с благоприятной геологией. Однако они же показывают и ее главное ограничение: успех таких проектов основан на уникальных природных условиях. Именно поэтому расширение геотермальной энергетики на новые регионы требует новых технологических подходов.
Почему сейчас
В течение долгого времени геотермальная энергетика развивалась относительно спокойно. Однако в последние годы интерес к ней заметно усилился. Причина – совпадение нескольких технологических и экономических тенденций.
Во-первых, резко растет потребление электроэнергии. Электрификация транспорта, развитие цифровой инфраструктуры и особенно быстрый рост дата-центров требуют стабильных источников генерации. По ряду оценок, потребление электроэнергии дата-центрами в США может вырасти на 20–30% уже в ближайшие годы.
Во-вторых, по мере роста доли солнечной и ветровой энергетики все острее встает проблема переменности генерации. Для устойчивой работы энергосистемы необходимы источники, способные работать круглосуточно и компенсировать колебания.
В-третьих, нефтегазовая индустрия за последние два десятилетия существенно продвинулась в технологиях бурения и работы с глубокими породами. Горизонтальное бурение, многостадийный гидроразрыв пласта и точный геофизический мониторинг теперь начинают применяться и в геотермальной энергетике.
Именно сочетание этих факторов впервые создает условия для нового этапа развития отрасли. По сути, речь идет о попытке превратить геологию в инженерную технологию.
Попытка превратить геотермию из редкой геологической особенности в масштабируемую энергетическую технологию связана прежде всего с двумя инженерными подходами – Enhanced Geothermal Systems (EGS) и Advanced Geothermal Systems (AGS). Оба они исходят из одной идеи: если природный геотермальный резервуар отсутствует или недостаточно продуктивен, его можно создать – или заменить инженерной системой теплообмена.
Традиционная геотермальная энергетика работает с гидротермальными системами, где подземные воды нагреваются в горячих породах и поднимаются на поверхность в виде пара или горячей воды. Такие природные резервуары встречаются редко и требуют сочетания высокой температуры, водоносных горизонтов и естественной проницаемости пород.
EGS пытаются обойти это ограничение. В основе технологии лежит создание искусственного резервуара в горячих сухих породах. Для этого бурят как минимум две скважины – инжекционную и добычную – на глубину обычно от 3 до 7 км. На таких глубинах температура пород часто превышает 150–200 градусов Цельсия, а в некоторых регионах может достигать 250–300 градусов Цельсия.
После бурения проводится гидравлическая стимуляция пород. По сути, это контролируемый гидроразрыв, который создает сеть микротрещин в массиве горячих пород. Через эту систему начинает циркулировать вода: она закачивается через одну скважину, нагревается в подземном резервуаре и возвращается через другую. На поверхности горячая вода или пар направляется в теплообменники и турбины, после чего охлажденная вода снова закачивается под землю. Таким образом формируется замкнутый цикл.
Ключевая особенность EGS состоит в том, что геотермальный резервуар формируется инженерно. Это позволяет работать в регионах, где природная геотермия ранее была невозможна. При удачной конфигурации одна пара скважин может обеспечивать мощность около 5–10 МВт, а крупные проекты предполагают создание целых «полей» из десятков скважин.
Второй подход – AGS – решает задачу иначе. Здесь вместо создания трещиноватого резервуара используется закрытый контур теплообмена. Скважины бурятся так, чтобы образовать замкнутую подземную петлю, например U-образную или кольцевую. Рабочая жидкость циркулирует внутри труб, нагреваясь за счет теплопроводности окружающих пород. По сути, это гигантский подземный теплообменник. Жидкость нагревается на глубине и возвращается на поверхность, где ее тепло используется для генерации электроэнергии или для систем теплоснабжения. Поскольку жидкость не контактирует напрямую с породой, такие системы практически исключают потерю воды и снижают риск индуцированной сейсмичности. Именно поэтому AGS иногда называют «закрытой геотермией».
Эти два подхода имеют разные инженерные преимущества. EGS способен обеспечивать более высокие температуры и мощности, но требует сложной работы с породой и тщательного контроля геомеханики. AGS, напротив, технологически более предсказуем и потенциально может применяться в более широком диапазоне геологических условий, хотя эффективность теплообмена здесь зависит от длины и конфигурации скважин.
Обе технологии опираются на достижения нефтегазовой индустрии. За последние 20 лет буровые технологии радикально изменились: горизонтальные скважины длиной в несколько километров стали обычной практикой, а методы геофизического мониторинга позволяют отслеживать поведение пород и потоков жидкости с высокой точностью.
Первые проекты и география технологий
Переход от концепций к реальным проектам начался только в последние годы. Сегодня на рынке формируется целая группа компаний и исследовательских программ, которые тестируют разные подходы к инженерной геотермии. География этих проектов уже значительно шире традиционных вулканических зон.
Одним из наиболее заметных считается Cape Station, который реализует американская компания Fervo Energy в штате Юта. Проект основан на технологии EGS и считается первым крупным коммерческим применением этой концепции. Первая очередь станции предполагает мощность около 100 МВт, а в перспективе весь комплекс может вырасти до 500 МВт. Fervo активно применяет методы горизонтального бурения и многостадийного гидроразрыва, заимствованные из сланцевой индустрии. В некоторых скважинах горизонтальные участки достигают нескольких километров, а температура пород на глубине превышает 250–290 градусов Цельсия. Общий объем инвестиций уже превышает 700 млн долл., а долгосрочные контракты на поставку электроэнергии заключены с крупными энергокомпаниями и корпоративными потребителями.
Важную роль в развитии EGS играет государственная исследовательская программа Utah FORGE Министерства энергетики США. Это специальный полигон, выбранный в районе без природного геотермального резервуара. Задача проекта – доказать, что такой резервуар можно создать искусственно и обеспечить устойчивую циркуляцию теплоносителя. Общий бюджет программы превышает 300 млн долл., а ее результаты уже используются рядом коммерческих компаний.
Параллельно развивается и альтернативный подход. Канадская компания Eavor Technologies реализует систему Eavor-Loop на основе замкнутых подземных петель. Первый крупный коммерческий проект строится в городе Геретсрид в Баварии. Станция рассчитана примерно на 8 МВт электрической мощности и около 60 МВт – для системы теплоснабжения. Проект финансируется при поддержке EU Innovation Fund и Европейского инвестиционного банка и рассматривается как демонстрация того, что закрытая геотермия может работать в обычных осадочных породах, далеко от вулканических зон.
Кроме этих проектов появляются и другие направления. Американская компания Sage Geosystems разрабатывает гибридные системы, сочетающие элементы EGS и геотермальных аккумуляторов давления. Компания XGS Energy экспериментирует с системами теплопроводных скважин. Стартап Quaise Energy предлагает бурение сверхглубоких скважин с помощью миллиметровых волн, позволяющих потенциально достигать глубин 10–20 км. Пока эта технология находится на ранней стадии, но она иллюстрирует широту инженерных экспериментов вокруг геотермии.
Интерес к технологиям новой геотермии постепенно распространяется и на Азию – регион, где традиционная геотермальная энергетика уже занимает заметное место. Индонезия и Филиппины входят в число крупнейших геотермальных стран мира. Так, в Индонезии крупные геотермальные комплексы работают на месторождениях Sarulla и Wayang Windu, а правительство рассматривает возможность применения технологий нового поколения для расширения ресурсной базы за пределами классических гидротермальных систем. В Японии обсуждаются пилотные проекты EGS в районах активного вулканизма. Турция, где геотермальная мощность за последнее десятилетие выросла более чем до 1,6 ГВт, также рассматривает возможности более глубокой разработки геотермальных ресурсов. Эти инициативы пока находятся на разных стадиях, но они показывают, что интерес к инженерной геотермии постепенно выходит за пределы Северной Америки и Европы.
В совокупности эти проекты показывают, что «новая геотермия» уже перестала быть чисто академической идеей. Хотя большинство из них пока остаются на ранней стадии, сама география инициатив говорит о том, что интерес к инженерной геотермии становится глобальным, но в конечном счете все решает экономика.
Экономика и место в энергосистеме
Если солнечная и ветровая генерация характеризуются относительно низкими капитальными затратами и переменной выработкой, то геотермия требует значительных инвестиций на этапе строительства, но обеспечивает стабильную генерацию на протяжении десятилетий.
Главная статья расходов – бурение скважин. В зависимости от глубины и геологии стоимость одной скважины может составлять 5–10 млн долл. В результате общий CAPEX геотермальных электростанций обычно находится в диапазоне 4000–6000 долл. на киловатт установленной мощности.
Однако высокая стоимость строительства частично компенсируется эксплуатационными характеристиками. Геотермальные станции имеют один из самых высоких коэффициентов использования установленной мощности в энергетике – обычно 85–95%. Один мегаватт геотермальной мощности способен производить значительно больше электроэнергии в год, чем мегаватт солнечной или ветровой генерации.
Поэтому экономические оценки чаще всего сравнивают уровень стоимости электроэнергии (LCOE). Для традиционных геотермальных станций этот показатель исторически находился в диапазоне 63–110 долл. за 1 МВт-ч. Для ранних проектов EGS стоимость была выше, иногда превышала 100–150 долл./МВт-ч, главным образом из-за неопределенности бурения. Однако по мере накопления опыта оценки начинают снижаться. В ряде современных проектов ожидаемый LCOE в оптимистичных прогнозах и лучших проектных сценариях оценивается в 60–80 долл./МВт-ч, а долгосрочные цели отрасли предполагают снижение до 45–50 долл./МВт-ч в течение следующего десятилетия. Это может сделать геотермальную энергетику конкурентоспособной с газом и даже солнечными фермами с накопителями.
Еще одна особенность геотермальной энергетики – долговечность активов. Многие станции работают 40–60 лет, а иногда и дольше. При этом эксплуатационные расходы остаются относительно низкими, поскольку основной ресурс – тепло Земли – не требует закупки топлива. В результате значительная часть экономической модели строится вокруг долгосрочных контрактов на поставку электроэнергии сроком на 20–30 лет.
Экономическая логика геотермии становится особенно понятной в контексте энергосистемы в целом. Она рассматривается не как конкурент солнечной или ветровой генерации, а как возможное дополнение к ним – элемент более устойчивой и сбалансированной энергетической системы.
Условно современные энергосистемы все чаще описывают через три типа генерации.
Первая категория – переменная генерация. К ней относятся прежде всего солнечные и ветровые станции. Их главное преимущество – низкая стоимость производства энергии и быстрые темпы строительства. Однако выработка таких станций напрямую зависит от погодных условий.
Вторая категория – балансирующая генерация. Она используется для компенсации колебаний переменной генерации и поддержания стабильности сети. В эту группу обычно входят газовые электростанции, гидроаккумулирующие станции и системы накопления энергии на основе батарей.
Третья категория – базовая генерация. Это источники, способные работать непрерывно и обеспечивать устойчивую выработку электроэнергии в течение длительного времени. Традиционно к таким источникам относятся атомные электростанции, крупные гидроэлектростанции и угольные станции.
Переход к низкоуглеродной энергетике усложнил эту структуру. Доля переменной генерации быстро растет, а многие традиционные источники базовой мощности постепенно выводятся из эксплуатации. В результате энергетические системы ищут новые источники стабильной низкоуглеродной генерации.
За последние годы солнечная и ветровая энергетика стали главным (более 90%) источником вновь вводимых мощностей в мировой электроэнергетике. Однако вместе с этим возникает и новая проблема – интеграция больших объемов переменной генерации в сеть. В ряде регионов генерация из ветра и солнца растет быстрее, чем развивается инфраструктура передачи и балансировки. В Европе очереди на подключение проектов превышают 1700 ГВт, а вынужденное ограничение выработки (curtailment) уже становится обычной практикой: летом 2025 года в отдельных странах ЕС доля неинтегрированной возобновляемой энергии достигала около 11%.
Именно в этой ситуации усиливается интерес к источникам низкоуглеродной энергии, способным обеспечивать стабильную генерацию независимо от погодных условий. Именно в этой точке и возникает интерес к геотермии. Она рассматривается как потенциальный источник чистой базовой генерации, дополняющий солнечную и ветровую энергетику.
Развитие геотермальной энергетики все чаще рассматривается как элемент энергетической безопасности. В отличие от солнечной и ветровой энергетики она меньше зависит от глобальных цепочек поставок оборудования и материалов и способна обеспечивать стабильное производство электроэнергии без зависимости от поставок топлива.
Ведущая роль в новой волне геотермальных проектов сегодня принадлежит США благодаря опыту горизонтального бурения и многостадийного гидроразрыва пласта. В Европе интерес связан с задачами декарбонизации и диверсификации энергоснабжения.
Россия обладает значительным геотермальным потенциалом и развитой школой буровых технологий. Основные ресурсы сосредоточены на Камчатке, Курильских островах и Северном Кавказе. В Камчатском регионе уже работает несколько геотермальных станций – Мутновская, Верхне-Мутновская и Паужетская. Их суммарная установленная мощность составляет около 80–100 МВт.
По оценкам различных исследований, потенциальные геотермальные ресурсы России могут достигать 5–15 ГВт, особенно если учитывать возможности технологий новой геотермии. Однако для реализации этого потенциала необходимы пилотные проекты, развитие нормативной базы и долгосрочные инвестиционные механизмы. Пока российская геотермия остается в основном региональной технологией.
Будущее геотермальной энергетики зависит от того, смогут ли технологии новой геотермии подтвердить свою масштабируемость в крупных коммерческих проектах. По оценкам Международного энергетического агентства, установленная мощность геотермальной энергетики может вырасти до 800 ГВт к 2050 году при благоприятных условиях. В более долгосрочных сценариях потенциал оценивается значительно выше.
Ключевым фактором развития остается экономика бурения. Если технологии позволят существенно снизить стоимость глубоких скважин, геотермальная энергетика сможет распространяться на значительно более широкую географию.
Геотермия вряд ли станет доминирующим источником энергии. Ее роль скорее всего будет заключаться в нише надежной низкоуглеродной базовой генерации, дополняя солнечную и ветровую энергетику и обеспечивая устойчивость энергосистем. В этом смысле новая геотермия может стать одним из важных элементов будущей энергетической архитектуры.
Дарья Гармоненко