Миллиметровые волны помогут добыть тепло из глубин Земли

00:01

Российские ученые предложили проект добычи тепла из сверхгорячих пород на глубине 10–25 км. Достичь таких уровней предполагают с помощью технологии бурения миллиметровым излучением. Ее испытали, испарив гранит с помощью источника в 10 КВт. Расчеты показали, что при мощности 1 МВт скорость бурения твердых горных пород достигнет нескольких метров в час. Технология также будет востребована в геологоразведке, строительстве и в других сферах, полагают эксперты.Экологически чистый источник энергииРоссийские разработки помогут обеспечить людей неисчерпаемым запасом экологически чистой энергии в любой точке планеты. Такой проект представили ученые в Институте теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН.Они предложили технологию добычи тепла из сверхгорячих пород, которые расположены в недрах Земли на глубине 10–25 км. На этом уровне температура достигает 400–450 °C.— Геотермальная энергетика использует тепло земных недр. У этого направления две ветви. Первая — использование подземных горячих воды и пара, но их запасы ограничены. Вторая задействует тепло глубинных сухих горных пород. Концепцию их разработки предложил еще Циолковский. Он же провел начальные расчеты, — рассказал «Известиям» научный руководитель ИТФ СО РАН академик Сергей Алексеенко.В мире опыты по извлечению такой энергии осуществили в 1970-х годах, добавил ученый. Станции для этих целей устроены в виде комплекса скважин. В одни закачивают воду. Она проходит по трещинам горячих пород, нагревается и выходит через другие в виде горячего пара. Его энергию преобразуют в электричество или тепло.Однако классические методы глубокого бурения дороги. Например, создание 5-километровой скважины обходится в $5 тыс. за метр. Поэтому проекты добычи тепла горячих пород ограничиваются лишь опытными станциями, сообщил академик. Как излучение поможет достичь недр ЗемлиТем не менее направление может получить второе дыхание благодаря инновационной технологии сверхглубокого бурения с помощью миллиметровых волн, сообщили ученые. Генераторы такого излучения называются гиротронами. Их, в частности, используют в термоядерных реакторах для нагрева плазмы.— В мире ищут бюджетные способы бурения. СВЧ-излучение в миллиметровом диапазоне волн может быть перспективным, потому что оно хорошо распространяется по волноводам и не теряет мощности на больших расстояниях, — поделился доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики плазмы ИПФ РАН Александр Водопьянов.В США уже запустили стартап, который проводит натурные эксперименты в этом направлении, добавил он. В компании обещают выдать электроэнергию в сеть через несколько лет.В России работу над этой технологией начали в прошлом году. Преимущество отечественных ученых — в компетенциях по созданию метаваттных гиротронов. Кроме того, в стране уже накоплен значительный опыт исследований взаимодействия СВЧ-излучения с различными материалами и разработки систем передачи высокомощных сигналов.— В марте этого года мы приступили к испытаниям по испарению гранитов и базальтов. Они составляют основу земной коры и имеют самую высокую температуру испарения. Также мы изучаем каналы теплопотерь и прорабатываем разные способы удаления испаряемого вещества. Уже сейчас есть основания полагать, что СВЧ-бурение будет быстрее и дешевле, чем традиционные способы, — сообщил Александр Водопьянов.По его словам, в эксперименте породы испаряли источником в 10 кВт. Вместе с тем оценки показали, что при мощности в 1 МВт скорость бурения составит несколько метров в час.Как пояснил Сергей Алексеенко, в предложенной технологии первый участок скважины проходят обычным буром. Затем в нее опускают волновод, по которому подается СВЧ-излучение, испаряющее гранит или базальт на забое. Образующиеся пары выводят вверх по кольцевому каналу с помощью продувки инертным газом, например аргоном. При этом часть испаренного материала оседает на стенках и формирует стекловидную пленку, предотвращающую утечки теплоносителя через возможные трещины. По расчетам, такая схема как минимум в пять раз дешевле традиционного бурения сверхглубоких скважин.Академик отметил, что, по оценкам европейских специалистов, на территории России сверхнагретые породы наиболее доступны на Камчатке, в Магаданской области, в районах Байкала и Тувы. Здесь они расположены примерно на глубине 10 км. По расчетам ученых, разработка всего 1% таких запасов способна обеспечить страну энергией на полвека. Произведет ли новая технология революцию в энергетике— Освоение такой технологии может стать настоящим прорывом в области бурения, сопоставимым с переходом от традиционных инструментов к твердосплавным, а затем и алмазным, — отметил в беседе с «Известиями» проректор по научной работе Уральского государственного горного университета Денис Симисинов. — Это позволит работать на значительно больших глубинах и эффективно бурить в сложных геологических условиях, где главным ограничением становится износ инструмента.Для реализации проекта нужен широкий круг экспертов — от геологов и теплофизиков до экономистов, — которые проведут изыскания и проверят рентабельность, пояснил он.— Идея интересна, но как доставить источник излучения к месту добычи и как передать на него энергию? Кроме того, в процессе бурения основное значение имеет устойчивость ствола и технологии удаления продуктов разрушения. С этим связаны наибольшие затраты и аварийность, — отметил профессор кафедры горных машин и комплексов УГГУ Константин Порожский.Вместе с тем надо изучить, безопасно ли человеку работать рядом с источником или стоит перейти к роботизации, добавил ученый.— Перспективность таких технологий напрямую зависит от их окупаемости. Поэтому экономические расчеты необходимо проводить на нескольких типовых объектах — с разной тектоникой, геологическим строением и расстоянием до потенциальных потребителей энергии, — пояснила «Известиям» ведущий инженер лаборатории механики горных пород МФТИ Тамара Журавлева.По ее словам, одна из российских компаний изучала тему СВЧ-бурения для разработки нефтяных месторождений баженовской свиты (группа нефтематеринских пород) в Западной Сибири. Однако экономика оказалась не в пользу проекта.— Вопросов действительно много. Во-первых, глубины в 10–25 км — это экстремальные значения, и пока не ясно, удастся ли разработать технологии и материалы, способные работать в таких условиях. Во-вторых, даже бурение на 2–3 км уже относят к дорогостоящим операциям, а здесь речь идет о скважинах в разы глубже. Тем не менее, если эти задачи удастся решить, человечество получит доступ к практически неисчерпаемому источнику энергии, — полагает доцент Научно-образовательного центра им. И.Н. Бутакова ТПУ Станислав Янковский.По словам эксперта, хотя сама концепция выглядит почти фантастической, результаты первых испытаний вселяют определенный оптимизм.

Экологически чистый источник энергии

Российские разработки помогут обеспечить людей неисчерпаемым запасом экологически чистой энергии в любой точке планеты. Такой проект представили ученые в Институте теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН и Института прикладной физики имени А.В. Гапонова-Грехова РАН.

Они предложили технологию добычи тепла из сверхгорячих пород, которые расположены в недрах Земли на глубине 10–25 км. На этом уровне температура достигает 400–450 °C.

— Геотермальная энергетика использует тепло земных недр. У этого направления две ветви. Первая — использование подземных горячих воды и пара, но их запасы ограничены. Вторая задействует тепло глубинных сухих горных пород. Концепцию их разработки предложил еще Циолковский. Он же провел начальные расчеты, — рассказал «Известиям» научный руководитель ИТФ СО РАН академик Сергей Алексеенко.

В мире опыты по извлечению такой энергии осуществили в 1970-х годах, добавил ученый. Станции для этих целей устроены в виде комплекса скважин. В одни закачивают воду. Она проходит по трещинам горячих пород, нагревается и выходит через другие в виде горячего пара. Его энергию преобразуют в электричество или тепло.

Однако классические методы глубокого бурения дороги. Например, создание 5-километровой скважины обходится в $5 тыс. за метр. Поэтому проекты добычи тепла горячих пород ограничиваются лишь опытными станциями, сообщил академик.

Как излучение поможет достичь недр Земли

Тем не менее направление может получить второе дыхание благодаря инновационной технологии сверхглубокого бурения с помощью миллиметровых волн, сообщили ученые. Генераторы такого излучения называются гиротронами. Их, в частности, используют в термоядерных реакторах для нагрева плазмы.

— В мире ищут бюджетные способы бурения. СВЧ-излучение в миллиметровом диапазоне волн может быть перспективным, потому что оно хорошо распространяется по волноводам и не теряет мощности на больших расстояниях, — поделился доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики плазмы ИПФ РАН Александр Водопьянов.

В США уже запустили стартап, который проводит натурные эксперименты в этом направлении, добавил он. В компании обещают выдать электроэнергию в сеть через несколько лет.

В России работу над этой технологией начали в прошлом году. Преимущество отечественных ученых — в компетенциях по созданию метаваттных гиротронов. Кроме того, в стране уже накоплен значительный опыт исследований взаимодействия СВЧ-излучения с различными материалами и разработки систем передачи высокомощных сигналов.

— В марте этого года мы приступили к испытаниям по испарению гранитов и базальтов. Они составляют основу земной коры и имеют самую высокую температуру испарения. Также мы изучаем каналы теплопотерь и прорабатываем разные способы удаления испаряемого вещества. Уже сейчас есть основания полагать, что СВЧ-бурение будет быстрее и дешевле, чем традиционные способы, — сообщил Александр Водопьянов.

По его словам, в эксперименте породы испаряли источником в 10 кВт. Вместе с тем оценки показали, что при мощности в 1 МВт скорость бурения составит несколько метров в час.

Как пояснил Сергей Алексеенко, в предложенной технологии первый участок скважины проходят обычным буром. Затем в нее опускают волновод, по которому подается СВЧ-излучение, испаряющее гранит или базальт на забое. Образующиеся пары выводят вверх по кольцевому каналу с помощью продувки инертным газом, например аргоном. При этом часть испаренного материала оседает на стенках и формирует стекловидную пленку, предотвращающую утечки теплоносителя через возможные трещины. По расчетам, такая схема как минимум в пять раз дешевле традиционного бурения сверхглубоких скважин.

Академик отметил, что, по оценкам европейских специалистов, на территории России сверхнагретые породы наиболее доступны на Камчатке, в Магаданской области, в районах Байкала и Тувы. Здесь они расположены примерно на глубине 10 км. По расчетам ученых, разработка всего 1% таких запасов способна обеспечить страну энергией на полвека.

Произведет ли новая технология революцию в энергетике

— Освоение такой технологии может стать настоящим прорывом в области бурения, сопоставимым с переходом от традиционных инструментов к твердосплавным, а затем и алмазным, — отметил в беседе с «Известиями» проректор по научной работе Уральского государственного горного университета Денис Симисинов. — Это позволит работать на значительно больших глубинах и эффективно бурить в сложных геологических условиях, где главным ограничением становится износ инструмента.

Для реализации проекта нужен широкий круг экспертов — от геологов и теплофизиков до экономистов, — которые проведут изыскания и проверят рентабельность, пояснил он.

— Идея интересна, но как доставить источник излучения к месту добычи и как передать на него энергию? Кроме того, в процессе бурения основное значение имеет устойчивость ствола и технологии удаления продуктов разрушения. С этим связаны наибольшие затраты и аварийность, — отметил профессор кафедры горных машин и комплексов УГГУ Константин Порожский.

Вместе с тем надо изучить, безопасно ли человеку работать рядом с источником или стоит перейти к роботизации, добавил ученый.

— Перспективность таких технологий напрямую зависит от их окупаемости. Поэтому экономические расчеты необходимо проводить на нескольких типовых объектах — с разной тектоникой, геологическим строением и расстоянием до потенциальных потребителей энергии, — пояснила «Известиям» ведущий инженер лаборатории механики горных пород МФТИ Тамара Журавлева.

По ее словам, одна из российских компаний изучала тему СВЧ-бурения для разработки нефтяных месторождений баженовской свиты (группа нефтематеринских пород) в Западной Сибири. Однако экономика оказалась не в пользу проекта.

— Вопросов действительно много. Во-первых, глубины в 10–25 км — это экстремальные значения, и пока не ясно, удастся ли разработать технологии и материалы, способные работать в таких условиях. Во-вторых, даже бурение на 2–3 км уже относят к дорогостоящим операциям, а здесь речь идет о скважинах в разы глубже. Тем не менее, если эти задачи удастся решить, человечество получит доступ к практически неисчерпаемому источнику энергии, — полагает доцент Научно-образовательного центра им. И.Н. Бутакова ТПУ Станислав Янковский.

По словам эксперта, хотя сама концепция выглядит почти фантастической, результаты первых испытаний вселяют определенный оптимизм.

Лента