Геотермальная энергия может спасти планету – если, конечно, не вызовет землетрясений
Гранит ротондо в туннеле Бедретто
На глубине в 1,5 км под долиной Тичино, расположенной на юге Швейцарии, недалеко от итальянской границы, находится Подземная лаборатория геоэнергетики Бедретто. Это отчасти мастерская механика, отчасти – строительная и горнодобывающая площадки. Внутри пещеры размерами 6х3 м – когда-то это была часть железнодорожного туннеля – проводят свои эксперименты в строительных касках исследователи, специалисты по геологии и сейсмологии. Это одна из ведущих исследовательских лабораторий геотермальной энергии. Подобный возобновляемый источник энергии может прекратить нашу зависимость от ископаемого горючего.
«Извините, сегодня у нас тут беспорядок, — говорит менеджер лаборатории Мэриен Гертрих, имея в виду двигатели, ноутбуки, гигантские катушки оптоволоконного кабеля и бурильное оборудование. Всё это втиснуто в небольшое пространство лаборатории. Для человека, проводящего полжизни под землёй, немецкий геофизик подозрительно загорелый.
Лаборатория находится в заброшенном вентиляционном рукаве туннеля Фурка, которым заведует швейцарская железнодорожная компания Matterhorn Gotthard Bahn. Один его конец исчезает в чернильной тьме, другой идёт к тускло освещённым железнодорожным путям, где команды работников, одетых в светоотражающие комбинезоны, привозят и увозят к юго-западному выходу из пятикилометрового туннеля на специальной трёхколёсной тележке, идущей по рельсам. Добраться сюда – уже половина приключения. Идти 40 минут пешком – неприятно. Под ногами хлюпают лужи, а над головой проходят кабели под напряжением в 16 000 вольт. На одной из стен туннеля видно, как расплавленная магма прокладывала себе путь вдоль трещины миллионы лет назад. После этого остался хорошо видимый стык между двумя горными породами. Одна из них — гранит ротондо, необъятное физическое препятствие, сквозь которое инженеры пробурились полвека назад.
«Одна из причин, по которым я выбрал туннель Бедретто, состоит в том, что у него два выхода. Не хотелось бы попасть под оползень или лавину, — говорит Доменико Джиардини, профессор сейсмологии и геодинамики из Швейцарского университета ETH в Цюрихе. – Если вам нужно работать в подземной лаборатории 20 лет подряд, всё должно быть очень безопасно».
Джиардини – мировой эксперт по глубинной геотермальной энергии. Он стоит за созданием этой передовой подземной лабораторией, совместного детища ETH Цюрих и Werner Siemens Foundation, обеспечивающего финансирование лаборатории. Миссия проекта, начатого в мае 2019 года – изучить потенциал геотермальной энергии. Это источник возобновляемой энергии, находящийся глубоко под землёй.
Создавая искусственные колебания, и наблюдая за поведением подземной породы, команда надеется понять, как сделать эту энергию безопасной и экономически выгодной в долгосрочной перспективе. Задача – подключиться к новому источнику «чистой» энергии, который поможет Швейцарии, и другим странам, отказаться от использования ископаемого топлива.
Мэриен Гертрих
Геотермальную (гео – земной, термо – тепловой) энергию называют солнцем под ногами. Это остаточное тепло расплавленных пород, сформировавшихся во внутренних частях Земли миллиарды лет назад. Геотермальную энергию можно использовать для превращения этого естественного тепла, просачивающегося с больших глубин, в электричество.
Люди пользуются геотермальной энергией уже тысячи лет. В древнем Риме её использовали для отопления помещений, бань и даже лечения кожных заболеваний в Помпеях. Сегодня старейший геотермальный источник, расположенный в итальянской коммуне Лардерелло региона Тоскана провинции Пиза, всё ещё выдаёт 10% мировых мощностей геотермальной энергии. Мировой энергетический совет считает, что у геотермальной энергии есть потенциал обеспечивать более 8% мировой потребности в электроэнергии. Но пока этот источник находится в числе аутсайдеров, отвечая лишь за 0,3% мощностей возобновляемой энергии. Всё из-за сейсмических рисков, затянувшейся экспериментальной фазы и высокой стоимости на начальном этапе.
На бумаге геотермальная энергия выглядит слишком хорошо, чтобы быть правдой. Наша планета, вероятно, будет выдавать энергию ещё миллионы лет, и в отличие от энергии солнца и ветра, геотермальные источники не зависят от капризов климата. «Если углубиться на метр, там камень уже не будет знать, ночь сейчас или день, — говорит Джиардини. – Если углубиться на три метра, камень не будет знать, зима сейчас или лето. Он вообще ничего не будет знать, поскольку камень очень хорошо сохраняет тепло».
В 70-х годах геотермальная энергия вытащила Исландию, новатора в области чистой энергии, из экономического кризиса. Страна смогла ослабить зависимость от дорогого импортируемого ископаемого топлива, и теперь сама покрывает 80% потребностей в электричестве и отоплении. Сегодня девять из десяти исландцев живут в домах, отапливаемых за счёт геотермальной энергии. Однако Швейцария – не вулканический остров, где обжигающе горячую воду можно доставать с глубины всего в несколько сотен метров. В этой изолированной горной стране нужно закапываться глубоко – примерно на 3000 метров в твёрдую кристаллическую породу – чтобы добраться до температуры в 100 °С.
Вход в вентиляционный туннель Бедретто
Геотермальная циркуляционная система (ГЦС), также известная, как «горячие камни» — это разновидность глубокой геотермальной системы, разработанная для участков с небольшой тектонической активностью, вроде Швейцарии. Для создания ГЦС в коренную подстилающую породу Земли под давлением закачивают воду. Она поглощает тепло «горячих камней», а потом её поднимают через шахту, пробуренную в земле. В отличие от обычных геотермальных систем, собирающих тепло благодаря пористым камням, через которые горячая вода течёт естественным образом, ГЦС создаёт такой поток искусственным образом. Впервые технологию опробовали в Нью-Мексико полвека назад, и с тех пор не сильно развивали. В теории при помощи ГЦС можно добывать огромное количество тепла почти в любой точке планеты. Международное энергетическое агентство оценивает, что в верхних слоях коры Земли толщиной в несколько километров содержится количество тепла, в два миллиона раз превышающее общемировое энергетическое потребление.
К 2050 году в каждом из 26 кантонов Швейцарии планируется добывать геотермальную энергию, что должно постепенно вытеснять атомную энергию, обеспечивающую на данный момент 40% всех потребностей страны, а также всё ископаемое топливо. Швейцарское министерство энергетики в 2020 году вложило в геотермальные проекты £47 млн. В стране уже сегодня на один квадратный километр содержится больше тепловых насосов, чем где-либо в мире. На них работает почти 15% систем обогрева домов и офисов. Однако тепловые насосы – это «неглубокая» геотермальная энергия, добываемая с глубин от 1,5 до 400 м. «Глубокие» геотермальные проекты, типа ГЦС, требуют бурения скважин на глубину до 5000 м.
В этом смысле у Швейцарии может оказаться неожиданный туз в рукаве – огромная сеть подземных туннелей. Её построила армия страны в рамках ныне неактивной системы защиты Swiss Reduit. Именно так Швейцария смогла спрятаться в бункеры в Альпах во время Второй мировой войны. За последние несколько десятилетий часть туннелей переориентировали на хранилища высокой защищённости. Их оснастили пуленепробиваемыми сейфами для хранения золота. Однако бывшие военные бункеры горного массива Сен-Готард можно переоборудовать и в порталы для сбора «зелёной» энергии.
«Подземные лаборатории обычно обходятся дорого, поскольку для начала нужно пробуриться вглубь, — говорит Джиардини. – Тут и пригодится готовый туннель».
У ГЦС есть одна большая проблема: землетрясения. Репутация геотермальной энергии в Швейцарии сильно пострадала в 2006 году, когда из-за пилотного проекта город Базель испытал землетрясение магнитудой 3,4 балла. Неуправляемые толчки были порождены проектом Geopower Basel, закачивавшим воду под давлением на глубину в 4,8 км в попытке добыть геотермальную энергию. Серьёзно никто не пострадал, однако из-за землетрясения побилась черепица и в домах появились трещины. В городе полно средневековых кафедральных соборов, при том, что он находится над активным 125-метровым разломом (произошедшее по естественным причинам землетрясение в XIV веке сравняло город с землёй). Ещё много месяцев после того, как под землю прекратили закачивать воду, датчики регистрировали тысячи крохотных землетрясений, которые связали с проводимыми работами.
Снова земля затряслась в 2013-м – на этот раз в 200 км к востоку от Сен-Галлена, когда там бурили скважины для ГЦС стоимостью £135 млн. Вскоре проект прикрыли.
В лаборатории Бедретто проводят исследования и изучают технологии, позволяющие получить максимум из геотермальных проектов, не рискуя при этом вызвать очередной подобный инцидент. В ноябре 2020 года в Бедретто запустили полномасштабные стимуляции, незначительно сотрясающие породу (без инструментов их даже не ощутить) – т.н. «микро-землетрясения». Для подобной стимуляции в граните необходимо создать сеть трещин, введя туда несколько десятков кубических метров холодной воды. «Во время эксперимента может произойти порядка 10 000 небольших землетрясений, и все их нужно обнаружить в реальном времени», — говорит Джиардини.
Все эксперименты проводятся в небольшом бассейне, вырытом на полу туннеля. Его легко можно спутать с подземным источником. Однако в нём живут не пещерные рыбы, а кабели, выходящие из двух скважин диаметром в 22 см, пробуренных на глубину в 300 м под углом в 45° в граните. Скважины достают до разогретых подземных резервуаров. В них закачивают воду, чтобы создать трещины в менее проходимой породе. Трещины работают как радиаторы, передающие тепло, содержащееся в камне, в воду. В геотермальных станциях такую воду выкачивают обратно на поверхность Земли, и она там испаряется. Пар вращает лопасти турбины, питающей генератор, который выдаёт электричество, пригодное к передаче по проводам. Сконденсировавшийся пар можно закачать обратно под землю, завершая цикл – что и даёт буквально возобновляемый источник энергии.
Вдоль скважин проложены особые датчики, включая акустические и датчики порового давления, измеряющие поток воды через трещины. Также сквозь них идут оптоволоконные кабели и геофоны (регистрирующие скорость сейсмических волн). Всё это оборудование отслеживает и записывает вибрации гранита в то время, как воду закачивают в разные участки скважины. Эти данные помогают разметить проницаемость камня, измеряя размер, характеристики, количество, направления и способность трещин к оказанию давления на камень при закачивании в них воды. Если знать, до какой степени гранит можно сделать «искусственно проницаемым», получится оценить возможность создания резервуара, готового для извлечения геотермальной энергии.
Учёные работают у скважины, пробуренной под углом в 45°
Пока что лаборатория использует жидкость температурой в 17°C. Эксперименты с горячей водой запланированы на более поздние сроки – вместе с открытием второй лаборатории в туннеле. В итоге учёные понаделают столько трещин в камне, что смогут объединить две скважины, создав резервуар разогретой подземной жидкости. Тогда они смогут испытать и изучить весь процесс работы ГЦС целиком.
Используя две длинные скважины для создания подземных резервуаров на глубине в 100 м, в Бедретто проводят эксперименты в условиях, приближенных к работе реальной геотермальной электростанции. Разделяя скважины на секции, команда может проводить многоступенчатые стимуляции, которые, в теории, ограничат сейсмический риск, дав в руки исследователям больше контроля над ситуацией.
«Думаю, что пока что самым крупным инцидентом было -3,2 или типа того», — говорит Бен Дайер, сейсмолог из Geo-Energie Suisse, одного из партнёров лаборатории. Чтобы оценить контекст, поясним, что магнитуда землетрясения должна достичь значения около 2,5, чтобы её могли заметить, находясь на поверхности. «Честно говоря, если выходить на уровень выше нуля, то в лаборатории появление трещин уже можно услышать», — говорит Дайер. Всё, что не дотягивает до этого уровня, считается микроземлетрясением. Их всё равно тщательно изучают, и выводят в реальном времени в виде волнообразных линий, или «сейсмических волн», на мониторе, похожем на аппарат для ЭЭГ.
Чтобы перестраховаться, в туннеле Бедретто установили пять сейсмографов (устройств, измеряющих движение земной коры). Один стоит на входе, один в конце, и ещё три – прямо в лаборатории. По одному сейсмографу также поставили на перевалах Фурка, Нуфенен и Сен-Готард. В проведённом институтом исследовании оценки сейсмических рисков было сделано заключение, что шансов вызвать землетрясение магнитудой в 2-2,5 балла у лаборатории 1 на десять миллионов. Но, как прямо заявляет Джиардини, «малый риск – это не нулевой риск. Очень сложно будет вводить новую технологию, если не получится доказать, что у неё нет рисков».
Между вызовом искусственных толчков для получения достаточного количества данных и порождением землетрясения, способного перечеркнуть весь проект, проходит очень тонкая грань. Исследователи из Бедретто в принципе могут снизить стоимость и риски, связанные с добычей геотермальной энергии. Одновременно любые неприятные инциденты могут отпугнуть инвесторов от геотермальных проектов. «Лучшее, что может случиться с геотермальными исследованиями в Швейцарии – это появление одного реально рабочего проекта, без подвохов», — говорит Эльмар Гросс Рус, эксперт по климату из швейцарского отделения фонда World Wildlife Fund (WWF).
Хэйзел Гибсон, бывшая постдок из Института экологичной Земли при Плимутском университете, последние два года пыталась понять, как заставить общественность верить в геотермальную технологию. «Пространство глубоко под землёй не просто невидимо – большинству людей оно чуждо, они не задумываются о том, что происходит у них под ногами, пока в этом не возникнет нужда», — говорит она. «Это незнакомая технология, и незнакомые риски часто субъективно кажутся серьёзнее знакомых». Она добавляет, что даже слова, связанные с геотермальной энергией – трещины, разломы, землетрясения, сейсмология – могут казаться угрожающими.
Однако жителей долины Бедретто лавины беспокоят гораздо больше, чем мелкие землетрясения. Долина расположена к западу от Нуфенена, высочайшего асфальтированного перевала Швейцарии, и к востоку от Айроло, находящегося на южных склонах Сен-Готарда. Она пронизана оврагами и извивающимися реками. В этом ландшафте расположился квартет из деревенек, приткнувшихся на склоне горы.
Не более чем в 500 метрах от юго-восточного входа в туннель Бедретто примостилась деревушка Ронко, будто сошедшая с коробки шоколадных конфет. В ней постоянно живёт всего четыре человека. Через три километра по дороге находится деревушка XIII века Вилла, в которой колокольню церкви превратили в препятствие для лавины. Возможно, из этих деревень уже никого не вывозят на санях, запряжённых мулами, но Агнез Леонарди, живущая там с двумя сыновьями подросткового возраста и мужем Марко, вспоминает, как в одну из зим их деревянный домик занесло снегом аж до второго этажа. Они работают на подъёмнике для лыжников Цосс Прато и в пещере у его основания, украшенной кристаллами возрастом 15 миллионов лет. Их добыл из глубин Сен-Готарда отец Марко, Джильберто Леонарди. Эта семья больше других знает о необычных свойствах земли, расположенной у них под ногами, но даже они ничего не слышали про лабораторию Бедретто, хотя она, практически, находится у них за порогом.
В лаборатории утверждают, что не скрывают свою деятельность. На церемонии открытия в мае 2019 года они пригласили более 300 местных жителей, включая и жителей долины Бедретто, чтобы те посмотрели на лабораторию и пообщались с исследователями. Пандемия коронавируса заставила прекратить подобные туры в 2020 году, поэтому некоторые жители ещё не знают о работе лаборатории.
«Идея о том, что если учёные будут выдавать больше информации о своей работе, тогда простым людям будет легче принять их научные идеи, не совсем верна», — говорит Гибсон, не связанная непосредственно с проектом Бедретто. «Сам процесс общения играет более важную роль в задаче знакомства людей с новыми научными идеями». Она говорит, что социальные решения не менее важны, чем технические.
Но одно дело, договориться со 106 жителями долины Бедретто, а другое – с городом населением в 200 000 человек, типа Женевы. У людей врождённый страх землетрясений. «Вся наша система основана на том, что земля у нас под ногами стабильна, иначе мы сразу же чувствуем себя плохо, — говорит Джиардини. – Это как страх акул. Если ты сидишь на пляже и говоришь всем, что приплыл дельфин, то все сразу бегут его фотографировать. А если ты говоришь всем, что приплыла акула, и люди выпрыгивают из воды. Даже если оба этих животных одинаково опасны».
Но несмотря на инциденты, подобную случаю в Базеле, «Геотермальная энергия всё ещё кажется нам в Швейцарии чистым и тихим источником энергии», — говорит Гросс Рус.
Борцы за экологию в основном встают на сторону геотермальной энергии, несмотря на некоторые спорные проекты, вроде электростанции Лайтнин Док в Нью-Мексико, угрожающей источникам пресной воды. «Хотя некоторые процессы при разработке геотермальной энергии похожи на гидравлический разрыв пласта, для них не требуется закачивать под землю вредные или потенциально опасные вещества», — поясняет эксперт по энергии и автор Крис Гудол.
Пока что геотермальные технологии составляют крайне малую часть производства энергии в Швейцарии, как и ветряки с солнечными панелями. Они дают 8,5% от общего энергопотребления. Ещё 60% лежит на плечах гидроэлектростанций.
Швейцарию часто называют водонапорной башней Европы благодаря горному расположению и высоким уровням ежегодного выпадения дождей. Однако Гросс Рус говорит, что назрела необходимость для новинок. «Потенциала на увеличение гидроэнергетики в Швейцарии не осталось. Подобные проекты наносят ущерб рекам и биоразнообразию. И даже если ледники будут отступать с такой скоростью, как сегодня, в следующие пару десятилетий возможности гидроэнергетики будут сильно ограничены».
В разных странах есть свои резоны предпочитать геотермальную энергию остальным видам возобновляемой энергии. «Возможно, что где-нибудь в Британии геотермальная энергия никогда не сможет соревноваться по стоимости с солнечной и ветряной энергией, — говорит Гудол. – А где-нибудь в Кении это вполне возможно, поскольку температура на поверхности там гораздо выше». В национальном парке «Врата ада», расположенном в Восточно-Африканской рифтовой долине, прекрасно сосуществуют жирафы и геотермальные технологии. Получаемый там пар генерирует почти половину всего электричества, потребляемого этой восточноафриканской страной. На поверхности геотермальные электростанции занимают гораздо меньше места, чем ветряки или солнечные панели, а их подземные резервуары служат как для добычи энергии, так и для накопления двуокиси углерода.
Но несмотря на все преимущества, многие геотермальные проекты не выходят за пределы исследовательской фазы. Работают они только при обнаружении достаточно крупных резервуаров достаточно горячей воды. Главный поставщик геотермальной энергии Австралии, Geodynamics Limited, выучил этот жёсткий урок. Компания вложила £110 млн в бурение пятикилометровых колодцев в бассейне Купера, которые теперь стоят, залитые бетоном.
Даже на такой относительно скромной полуторакилометровой глубине, как в Бедретто, возникали заковыристые инженерные проблемы ещё до того, как были измерены напряжения породы – об этом вспоминает управляющий лаборатории Гертрих. «Мы бурили и бурили камень, метр за метром, и он оставался сухим», — рассказывает он о предварительных изысканиях. «Мы оставили скважины открытыми на две недели, и оттуда не вышло ни капли воды. Я забеспокоился. Однако потом мы внезапно прошли зону разлома, и пошло веселье».
Остаётся ещё один пробел в знаниях – где на планете лучше всего строить крупномасштабные ГЦС. Главной проверкой перспектив геотермального проекта до сих пор остаётся глубокое бурение в промышленных масштабах. Гертрих говорит, что проблема была в том, чтобы доставить на место подходящий бур. В итоге лаборатория заказала шведской компании изготовления бурильной установки по конкретным спецификациям, подходящей к размеру туннеля. Стоимость изготовления не разглашается, но геофизики говорят, что аренда подобного оборудования может обойтись компаниям в £100 000 в день. Большая часть геотермальных проектов тормозится из-за высокой стоимости. По меркам индустрии финансы для лаборатории нашли практически мгновенно. Основной спонсор Бедретто, Werner Siemens Foundation, потратил £3,3 млн только на инфраструктуру лаборатории. Кучка других инвесторов, включая Министерство энергетики и Европейский исследовательский совет, вложили ещё £6,5 млн. Удалось сэкономить из-за того, что железная дорога Matterhorn-Gotthard-Bahn разрешила использовать туннель бесплатно в течение десяти лет.
Ещё одна из главных проблем Бедретто лежит в технологической области – сбор данных и их обработка в реальном времени. По словам главы информационного отдела лаборатории Филиппа Кастли, «на сегодня не существует независимых программных комплексов для анализа сотен потоков сейсмических данных с частотой в 1 МГц в реальном времени». Команде лаборатории пришлось писать свой софт.
«Такие данные на флэшку не скинешь», — говорит Джиардини, имея в виду 12 Тб несжатых данных, которые лаборатория выдаёт в обычный день. «Мы находимся в нескольких метрах от скважины, поэтому наблюдаем данные с высокой частотой. Трение внутри пород уменьшило бы эту частоту». Сейсмические данные считываются и передаются в штаб-квартиру университета в Цюрихе в реальном времени. «Нам приходится постоянно передавать данные с этой далёкой горы в Цюрих, чтобы не заваливать пейзаж кабелями».
Самым важным для популяризации геотермальной энергии является улучшение знаний по геологии. Гертрих с командой взялись изучить поведение гранита ротондо вдоль и поперёк, при всех возможных сценариях. «Обычно бурение идёт вслепую. Бурим, получаем скважины, симулируем», — говорит он. Но только не в Бедретто. Вдоль стен туннеля расставлены ящики с 10-сантиметровыми гранитными кернами, извлечёнными из экспериментальных скважин в мае 2019 года. Эти образцы с белыми и чёрными вкраплениями девять месяцев тщательно изучали на предмет жил, пор и разломов самые крупные специалисты в этой области. Керны дают информацию о том, где и как можно создавать разломы для тепловых резервуаров в Бедретто, так, чтобы у команды получалось манипулировать породой. Подобный уровень геологического, геофизического и геохимического исследования пород выводит геотермальные технологии на новую территорию.
Путь от лабораторных исследований до электростанции длинный и дорогой. У лаборатории Бедретто нет намерений строить коммерческую геотермальную электростанцию на этом месте, хотя следующим летом там надеются дойти до извлечения горячей воды из экспериментального резервуара с целью обогрева и генерации электричества в лаборатории.
Готов ли мир, страдающий от климатического и энергетического кризиса, ждать коммерческих воплощений геотермальных проектов, пока непонятно. Неглубокие геотермальные станции покрывают 1,3% от нужд отопления Швейцарии, этого и близко не хватает для того, чтобы покрыть недостающие 40% энергии, которые останутся от АЭС к 2050 году. Лаборатория Бедретто должна будет работать до 2024 года, за одну ночь геотермальную электростанцию не возведёшь, и пока что никаких глубоких геотермальных проектов в Швейцарии нет. Планирование и постройка типичной геотермальной электростанции, дающей тепло и электричество, может занять до шести лет и обойтись в сумму порядка £50 млн.
Однако терпение и вложение могут окупиться, особенно если компании смогут понять, где именно нужно бурить, чтобы наткнуться на подходящие пласты. Именно такую информацию и планируется извлечь из исследований в Бедретто, и применить в других регионах Швейцарии, а также в Скандинавии, где геология примерно похожая.
Если данные, собранные в подобных стимуляциях, смогут убедить общественность и инвесторов, это может привести к старту энергетической революции, которая начнётся с активного внедрения геотермальной энергии в Швейцарии.
Джиардини понимает, что успех или неудача могут определить судьбу глубокой геотермальной энергии в Швейцарии, а может и за её пределами. «Обычно в газетах пишут про неудачи, — говорит он. – Если у нас случится землетрясение магнитудой в 2,5 балла, все об этом узнают».
