Как Кения использует безмерное тепло Земли

В вулканическом регионе Великой рифтовой долины Восточной Африки тектонические сдвиги разрывают континент на части и высвобождают невообразимые количества чистой энергии.

Взрывы пара громко вздымаются, высвобождая тепло из глубины Земли. Но еще более мощным является пар, которого не видно: тот, который проносится по милям труб, проталкивая мимо турбин, генерируя чистую энергию, которая не иссякнет в течение миллионов лет.

На вершине этого адского лабиринта труб находится кенийский геотермальный проект Olkaria, где новое дополнение к силовой установке вот-вот будет запущено. Расширение Olkaria VI мощностью 86 мегаватт увеличит общую выработку по проекту до 791,5 мегаватт. По данным KenGen, полугосударственной компании, которая управляет Olkaria, это около 27% всей энергии в Кении. Кения уже использует геотермальный пар для выработки 38% своей энергии — больше, чем в любой другой стране.

«Когда Olkaria VI будет завершена, это будет самая большая геотермальная электростанция в мире», — говорит Сайрус Карингити, руководитель разработки инфраструктуры и ресурсов Olkaria.

В глобальном масштабе геотермальная энергия — это отрасль с оборотом 4,6 млрд долларов (3,3 млрд фунтов стерлингов), с более чем 500 электростанциями, электрифицировавшими миллионы домашних хозяйств в Юго-Восточной Азии, Северной Америке, Европе и за ее пределами. В конце концов, геотермальная энергия является вторым по распространенности источником энергии в мире после солнечной.

Но с точки зрения того, насколько задействуем этот источник энергии, геотермальная энергия сильно отстает. В 2016 году энергия, получаемая миром от геотермальной энергии, составляла всего 4% от солнечной, несмотря на то, что геотермальная энергия имела некоторые важные преимущества. Ветровые турбины бесполезны в тихий день, а энергия солнечных панелей падает, когда солнце закрыто облаками и ночью. Между тем, независимо от времени суток и погоды, Земля под нами постоянно выделяет огромное количество тепла.

Чтобы оценить потенциал этого тепла, нет ничего лучше, чем посмотреть, где оно прорывается через поверхность в башнях пара, извергающегося из «Врат Ада», примерно в 90 километрах (56 милях) к северо-западу от столицы Кении, Найроби.

Тепло из глубины

В пасмурные дни здесь сложно сказать, какие облака идут с неба, а какие — с земли. Однажды утром в феврале Анне Мванги, геофизику, работающему в таких компаниях, как KenGen, поручили поискать новые геотермальные буровые площадки. Она указывает на слабый пар, поднимающийся из небольшого отверстия в скалистом склоне холма.

«Вы можете сварить в нем яйцо», — говорит она с улыбкой.

Территория вокруг Olkaria изобилует естественными геотермальными источниками, такими как эти, некоторые из которых достаточно горячие. Мванги объясняет, что пар — это то, что дало название национальному парку «Врата ада»: пейзаж выглядит так, как будто подземный мир кипит.

В каком-то смысле это так. Примерно на 3000 километров (1860 миль) ниже лежит ядро ​​Земли с температурой выше, чем поверхность Солнца. Это тепло распространяется вверх через толстую мантию Земли к самому внешнему слою планеты — коре. В местах, где тектонические плиты, состоящие из земной коры и верхней мантии, сталкиваются или разрываются, это тепло поднимается ближе к поверхности. Одним из таких мест является Великая рифтовая долина Африки, протяженность которой составляет 7000 км (4350 миль) по восточной стороне континента.

«Здесь континент разваливается», — говорит Мванги, указывая на скалистые хребты с глубокими ущельями между ними. Это видимые признаки двух огромных тектонических плит, медленно расходящихся друг от друга. «Это активный процесс, который продлится несколько миллионов лет», — говорит она. «Через несколько миллионов лет, если вы придете сюда, это будет океан».

Но в то же время это тектоническое движение можно использовать для получения энергии, которую оно высвобождает. При движении тектонических плит образуются трещины — разрывы в земной коре, которые позволяют подземным водам взаимодействовать с перегретыми породами, превращая их в пар. Эти трещины создают пути к поверхности Земли, где они образуют горячие источники, гейзеры или дымящиеся геотермальные источники. Здесь, в Великой рифтовой долине, большая часть тепла находится прямо под поверхностью.

«Эта энергия исходит от Земли — и она по существу безгранична», — говорит Джульет Ньюсон, директор Исландской школы энергетики при университете Рейкьявика. «У Кении есть действительно хорошие ресурсы, и это Рифт-Валли. У вас есть этот [невероятный] жар, который так близок к поверхности». 

В других частях света придется пробурить несколько километров или больше, чтобы найти эквивалентные температуры.

В Великой рифтовой долине Восточной Африки континентальные тектонические плиты медленно раздвигаются

По словам Карингити, использовать эту энергию для производства электричества очень просто. 

«Пар, который подается на турбину, вращает ее и вырабатывает электричество».

Турбины на Olkaria вращаются со скоростью 3000 оборотов в минуту, слишком быстро, чтобы человеческий глаз мог заметить. В небольшой диспетчерской два инженера работают в 12-часовые смены, глядя на дюжину мониторов с данными с завода.

В общей сложности Olkaria генерирует около четверти энергии Кении, передавая часть из нее почти на 500 км (310 миль) на юго-восток в портовый город Кении Момбаса и на несколько сотен километров к западу в сторону границы с Угандой. Кения является восьмым по величине производителем геотермальной энергии в мире после таких стран, как США, Филиппины, Индонезия, Турция и Новая Зеландия. Уже опередив Исландию и Японию, она должна обогнать Мексику и Италию, как только Olkaria VI будет запущена.

Steam использовался для получения энергии у «Врат Ада» более 70 лет

Это наследие создавалось долгое время. 

«Кения начала рано», — говорит Мванги. «Мы исследовали с 1950-х годов, поэтому у нас было много десятилетий исследований, разработок и успехов».

А также неудачи. 

«Наши первые скважины были ужасными», — говорит Мванги. «Это было в 1956 году. Эти скважины производили пар низкого давления», — говорит Карингити, и в то время технология не была достаточно развита, чтобы использовать этот пар.

Оригинальная Olkaria — первая геотермальная электростанция в Кении и первая в Африке — появилась четверть века спустя, в 1981 году. С 1950-х годов KenGen, полугосударственная компания, управляющая Olkaria, пробурила 310 скважин здесь, в Hell’s Gate, 125 из которых все еще дымятся. Две новые мощные электростанции были введены в эксплуатацию в 2014 и 2015 годах, что существенно увеличило выработку.

Но их работа еще далека от завершения. Четверть населения Кении по-прежнему не имеет электричества. Отключение электричества является обычным явлением, мешает производственному сектору страны и мешает студентам, которым нужно учиться ночью, или родителям, заряжать свои мобильные телефоны. 

«Нам нужно добавить больше мощи, чтобы наша нация была освещена, как и весь остальной мир», — говорит Карингити.

Детализация

Чтобы найти следующие источники пара, Мванги и Карингити преодолевают путь на 50 километров (31 милю) за один день. Они ищут веточки того, что они называют «геотермальной травой» — высокие и тонкие, с зелеными и желтыми прядями, которые намекают на то, что под ними могут находиться тепло и влага. Они собирают образцы горных пород, тестируют воду и измеряют температуру земли, и все это используется в их расчетах относительно того, следует ли пробурить новую скважину в каком-либо конкретном месте.

Как только вы определите сильное местоположение, «вам нужны инвесторы, чтобы не быть малодушными», — говорит Карингити. 

«Бурение скважины стоит 6 миллионов долларов [4,3 миллиона фунтов стерлингов]. А если вы промахнетесь, вы затонете». 

По его словам, это главный недостаток геотермальной энергии. 

«Капитальные вложения очень высоки, и это отпугивает многих».

Для многих геотермальных инженеров самый волнующий момент наступает, когда вы пробуриваете новую скважину и получаете пар. 

«Когда бурится скважина, они открывают клапан и выпускают жидкость в атмосферу, шум и тряска невероятны — это просто потрясающе», — говорит Ньюсон о так называемом испытании с вертикальным сбросом. «Сила, которая исходит из этого колодца — в течение 20 лет — это так захватывающе!»

На Olkaria скважины проходят испытания в течение примерно двух месяцев для измерения их расхода. Затем пар направляется либо в мини-завод на месте, либо по трубам на более крупный завод, такой как Olkaria VI. Поскольку «Врата Ада» являются домом для стольких диких животных, в некоторых местах трубы необходимо поднять на несколько метров над землей, чтобы позволить жирафам и другим диким животным пройти безопасно.

Геотермальная энергия может потребовать меньше землепользования, чем другие формы энергии, но она по-прежнему вытесняет сообщества в районе Кенийских ворот

На Olkaria часть электроэнергии вырабатывается прямо на скважинах. Эти небольшие спутниковые скважины обычно имеют глубину от двух до трех километров, каждая из которых производит около 5 мегаватт энергии — этого достаточно для питания 50 000 кенийских домов. 

Когда пар приводит в действие турбины, вода закачивается обратно в землю, чтобы паровые скважины никогда не работали всухую. Со временем она снова нагреется и снова станет паром.

Движение вперед

В стране, где спрос на электроэнергию превышает предложение, геотермальные установки имеют несколько преимуществ. Во-первых, они могут быстро расширяться. 

На Olkaria «на строительство пилотной электростанции ушло, может быть, год. Следующие 14 [скважин] были построены за четыре года», — говорит Виктория Ньяга, одна из бывших учениц Ньюсона, которая сейчас работает инженером по устойчивой энергетике и помогла спроектировать несколько электростанций. «Это действительно быстро, когда вы начинаете».

Их размер тоже помогает. Небольшие установки, которые стоят на колодцах, по размеру меньше футбольного поля, и их можно демонтировать и перемещать из колодца в колодец при обнаружении более мощных источников пара. 

«Это главное преимущество геотермальной энергии — она ​​занимает очень мало места», — говорит Карингити. 

Геотермальная энергия требует значительно меньше земли, чем ветровая, солнечная или угольная.

Тем не менее, одна геотермальная скважина может быть крошечной, но 300 из них, разбросанные по долине, пересеченной трубами и линиями электропередачи, подъездными дорогами и бассейнами для нагнетания, делают Olkaria чудовищем. Это создает проблему для скотоводов масаи, которые на протяжении веков пасли скот на этой земле.

Чтобы освободить место для расширения Olkaria, Кенген переместил 1181 масаев из 155 домашних хозяйств на участок земли площадью 1700 акров, оборудованный домами, церквями и школами. 

«Мы надеемся получить следующее поколение ученых и инженеров из [того же масаи] сообщества», — говорит Карингити.

На данный момент в Olkaria работает 1250 человек, но только около 50 составляют масаи и только 20 — выходцы из сообщества, которое было перемещено. Не многие кенийцы имеют возможность учиться в университете, особенно сельские скотоводы. Теперь некоторые из 500 семей масаев, которые живут вокруг кратера Сусва к югу от Olkaria, опасаются, что скоро их тоже вытеснят. Другая геотермальная компания начала поиск геотермального потенциала вокруг кратера, образованного ныне неактивным вулканом. Компания считает, что кратер Сусва может генерировать 750 мегаватт геотермальной электроэнергии — столько же, сколько Olkaria производит сегодня.

«На Olkaria эти люди были изгнаны», — говорит Киано Семпуи, мужчина масаи и отец троих детей, который живет и пасет коз, овец и коров в Сусве. «Мы уверены, что когда компания придет сюда, рано или поздно то же самое произойдет и с нами».

Более того, Семпуи опасается, что геотермальная энергия подорвет небольшую туристическую отрасль, над созданием которой он так много работал. По выходным десятки кенийских и иностранных туристов направляются в кратер, чтобы посетить лабиринт естественных пещер, прогуляться по краю кратера, чтобы полюбоваться потрясающим видом на лес под ними, где живут леопарды, и разбить лагерь под звездами на краю обрыва. Из доходов от туризма заповедник платит зарплату учителям, больничные счета и ремонтирует дороги.

«Когда появится геотермальная энергия, заповедник будет разрушен, потому что не так много туристов, которые захотят мириться со всем этим шумом», — говорит Семпуи, имея в виду ошеломляющие потоки пара, извергающегося из геотермальных источников. когда они проходят испытания или техническое обслуживание.

Замыкание цикла

Поскольку правительства и иностранные инвесторы тратят миллиарды долларов на подключение большей части Восточной Африки к электросети, забота о землях сельских скотоводов является одной из нескольких проблем, которые необходимо будет решить, поскольку люди обращаются к геотермальной энергии для быстрого удовлетворения энергетических потребностей региона.

Еще одна проблема заключается в том, как справиться с CO2, выделяемым геотермальными жидкостями, который может естественным образом образовываться в горячих источниках и паровых источниках. Количество углерода, выделяемого геотермальной энергией, сильно варьируется от одного проекта к другому, но в целом оно все еще ничтожно по сравнению с сжиганием ископаемого топлива — всего 2,7% от сжигания угля или 5% от природного газа.

Геотермальные компании в Исландии улавливают выброс CO2, закачивая его глубоко под землю с образованием меловых белых минералов

Некоторые предприятия, такие как проекты в Исландии, улавливают углерод и закачивают его обратно под землю, где он минерализуется и становится безвредным. 

«Проект в Исландии под названием Carbfix исследовал это в течение последних 10 лет, и теперь большая часть CO2 от большой геотермальной электростанции Hellisheidi повторно закачивается глубоко в базальтовые породы, где образует новые минералы, которые становятся частью скалы», — говорит Ньюсон. 

Возможно, более проблематичным, чем CO2, является повторная закачка воды глубоко в породу для пополнения пара. Повторно закачиваемая вода «имеет высокие концентрации кремнезема и солей [по сравнению с холодными грунтовыми водами], а иногда и токсичных элементов, таких как мышьяк, литий, сурьма, ртуть, сера и многие другие», — говорит Ньюсон. В большинстве случаев вода закачивается достаточно глубоко, чтобы не мешать водоносным горизонтам, но в случае неправильного использования она может загрязнить источники питьевой воды.

Кроме того, существует тот факт, что путем гидроразрыва горных пород геотермальная инженерия может и регулярно вызывает сейсмическую активность. В редких случаях «землетрясения можно почувствовать. И людям это не нравится», — говорит Ньюсон. «Это порождает много недоверия, в чем нельзя винить людей».

Хотя землетрясения случаются нечасто, иногда они бывают более серьезными. В ноябре 2017 года геотермальная станция вызвала землетрясение силой 5,5 балла в Пхохане, Южная Корея, в результате чего 1700 человек были вынуждены покинуть свои дома, когда закачка воды разрушила ранее неизвестную линию разлома. Более эффективный мониторинг и управление рисками могут помочь избежать подобных крупных землетрясений в будущем.

Копать глубоко

Поскольку геотермальной электроэнергии немногим более века, в отличие от ископаемого топлива, ее будущее, скорее всего, будет дольше, чем ее прошлое. Но есть много разногласий по поводу того, каким должен быть следующий рубеж. 

Большинство существующих геотермальных станций «требуют умеренно горячего резервуара — горячих источников, гейзеров и других геотермальных объектов», — говорит Ньюсон. 

«Куда бы вы ни пошли, если вы просверлите Землю достаточно глубоко, будет довольно жарко», — говорит Ньюсон. «Так почему бы нам не просверлить глубже и не отвести тепло? Это действительно заманчиво. Бурение — это весело! Но, честно говоря, очень сложно заставить его работать. Трудно заставить камни ломаться в правильном направлении».

Например, одна инициатива по глубокому бурению в Исландии, которая спускается на глубину около 4,6 км (2,9 мили), столкнулась с рядом серьезных проблем. 

«Здесь есть какая-то суровая химия, и все оборудование разрушается», — говорит Ньяга. Геотермальные флюиды растворяют газы, такие как CO2, которые поступают из подстилающей магмы. А при температурах, превышающих 400 °C, эти жидкости также растворяют минералы из горных пород. Это делает жидкости очень коррозионными, и они могут вызвать повреждение металлического бурового оборудования, труб и цемента, который удерживает оборудование на месте.

Геотермальная энергия может быть наиболее заметной в районах с горячими источниками и гейзерами, но даже в более прохладном климате она может обеспечить значительную чистую энергию

В то время как некоторые инженеры спешат пробурить глубже, другие считают, что лучше остыть. Так называемые низкотемпературные геотермальные системы с меньшей производительностью можно недорого разработать там, где это невозможно для больших электростанций.

Уже сейчас «Китай — одна из стран, где больше всего геотермального тепла», — говорит Ньяга, и многие другие страны экспериментируют с новыми способами получения энергии из воды, едва теплой, чтобы заварить чай.

Теоретически геотермальная энергия может производиться практически везде, где можно пробурить достаточно глубоко, чтобы высвободить ее. Ньюсон говорит, что когда-нибудь станет возможно даже производить геотермальную энергию со дна моря. Поскольку большая часть вулканической активности Земли происходит в центре океанов, где тектонические плиты сходятся или сталкиваются, вода там достаточно горячая, чтобы приводить в действие турбину.

В то время как Кения является лидером Африки по использованию геотермальной энергии, те же геологические особенности, что и в Olkaria, существуют в полдюжине других стран вверх и вниз по Великой Трещине. KenGen уже эксплуатирует 22 скважины в Эфиопии и скоро будет выпускать пар и в Джибути.

По всему миру возможности геотермальной энергии существуют везде, где сталкиваются тектонические плиты. Многие из этих электростанций находятся на Глобальном Юге. 

«Восточная Африка и Азия — у Филиппин и Индонезии есть большой потенциал», — говорит Ньяга.

Но хотя в этих регионах может быть самая доступная горячая геотермальная энергия, растущий технический опыт в области низкотемпературной геотермальной энергии означает, что более или менее где бы вы ни находились в мире, вам не нужно искать доказательства огромной силы тепла Земли. 

Елизавета Коробкова

Редактор ЭНЕРГОСМИ.РУ