Низкоградиентная геотермоэнергетика
        Геотермальная энергетика – использование тепловой энергии недр Земли для производства электроэнергии или непосредственно для отопления или горячего водоснабжения. Запасы тепла Земли огромны – при остывании ядра на 1 °C выделится 2*1023 Втч энергии, что в миллионы раз больше годового энергопотребления человечества. Температура ядра превышает 6000 °C, а скорость остывания ~ 300-500 °C за миллиард лет. Мощность теплового потока из недр Земли составляет 47±2 ТВт тепла. Однако, его плотность составляет менее 0,1 Вт/м2, что затрудняет её использование. В вулканических районах циркулирующая вода перегревается выше температуры кипения на относительно небольших глубинах и по трещинам поднимается к поверхности, иногда проявляя себя в виде гейзеров. Перспективными источниками перегретых вод обладают вулканические зоны планеты в том числе Камчатка, Курильские, Японские и Филиппинские острова, территории Кордильер и Анд.
        В России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тысяч м3/сутки. На двадцати месторождениях ведётся промышленная эксплуатация, среди них: Паратунское (Камчатка), Черкесское и Казьминское (Карачаево-Черкесия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край). Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечне, Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, на Камчатке и в ряде других районов России.
        Доступ к подземным тёплым водам возможен при помощи глубинного бурения скважин. Распространены сухие высокотемпературные породы, энергия которых доступна при помощи закачки и последующего отбора из них перегретой воды. Высокие горизонты пород с температурой менее +100 °C распространены на множестве геологически малоактивных территорий, там использование геотерм в качестве источника тепла для отопления жилищ и др. подобных целей вполне перспективно.
Хозяйственное применение геотермальных источников распространено в Исландии, Новой Зеландии, Франции, Италии, Литве, Мексике, Никарагуа, Коста-Рике, Филиппинах, Индонезии, Китае, Японии, Кении и Таджикистане.
Достоинства и недостатки
        Главным достоинством геотермальной энергии является её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Для генерации электроэнергии целесообразно использовать геотермальную воду температурой от 150°C и выше. Даже для отопления и горячего водоснабжения требуется температура не ниже 50°C.
        Однако, температура Земли растёт с глубиной довольно медленно, обычно геотермический градиент составляет всего 30°C на 1 км, т.е. даже для горячего водоснабжения потребуется скважина глубиной более километра, а для генерации электроэнергии – несколько километров. Бурение таких глубоких скважин обходится дорого, кроме того, на перекачку теплоносителя по ним тоже требуется затратить энергию, поэтому использование геотермальной энергии далеко не везде целесообразно. Практически все крупные ГеоЭС расположены в местах повышенного вулканизма – Камчатка, Исландия, Филиппины, Кения, поля гейзеров в Калифорнии и т.д, где геотермический градиент гораздо выше, а геотермальные воды находятся близко к поверхности.
        Одна из проблем, которые возникают при использовании подземных термальных вод, заключается в необходимости закачки воды в подземный водоносный горизонт. Закачка необходима для того, чтобы давление в водоносном пласте не упало, что приведёт к уменьшению выработки геотермальной станции или её полной неработоспособности. Кроме того, в термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (свинца, цинка, кадмия), неметаллов (бора, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Геотермальные электростанции получили развитие в силу высокой энергетической плотности в отдельных заселённых географических районах, где отсутствуют или относительно до'роги горючие полезные ископаемые. Их мощность в 2010 г. составила более 10 ГВт.
        Экономическая обоснованность бурения и инфраструктуры скважин заставляет выбирать места с большим геотермическим градиентом. Такие места обычно находятся в сейсмически активных зонах. Однако, по результатам исследования пхоханского землетрясения 2017 года, оказалось, что даже регулирования по измерениям дополнительных сейсмографических станций недостаточно для исключения индуцированных землетрясений. Спровоцированное эксплуатацией геотермальной станции пхоханское землетрясение произошло 15 ноября 2017 года, магнитуда составила 5,4 единицы, пострадали 135 человек и 1700 остались без крова. Иначе говоря, экономически выгодные ГеоЭС сейсмически опасны и по месту расположения, и по своему воздействию.
        Но сейсмически активные точки не являются единственными местами, где можно добыть геотермальную энергию. Существует постоянный запас полезного тепла для целей прямого нагрева  на глубинах от 4 метров до нескольких километров ниже поверхности практически в любом месте на Земле. Нужно только уметь использовать низкоградиентные источники тепла. Такую возможность даёт российский патент на полезную модель № 88739 от 17.06.2009 года, реализующий способ преобразования в механическую работу скрытой теплоты парообразования в тепловом двигателе внешнего нагревания.

Формула изобретения
«Способ преобразования в механическую работу скрытой теплоты парообразования в двигателях внешнего горения, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применено вещество, критическая температура которого при существующем в двигателе давлении выше температуры холодильника и ниже температуры нагревателя, при этом в рабочем цикле двигателя рабочее тело конденсируется в критической точке без выделения теплоты, так как в этой точке скрытая теплота парообразования равна 0, тогда как испарение жидкой фазы рабочего тела происходит вне критической точки и сопровождается поглощением тепла, благодаря чему поглощенная при испарении энергия не передаётся холодильнику, а используется для совершения работы».
        Суть запатентованного процесса заключается в организации термодинамического цикла abcd, включающего внутрь себя критическую точку k, например, так, как это показано на взятом из патента рисунке:
        Сущность изобретения иллюстрируется циклом abcd, включающего внутрь себя критическую точку k, где в PV-координатах показаны изотермы реального газа, используемого в качестве рабочего тела. На этом рисунке светло-серым цветом выделена область, в которой рабочее тело находится в динамически равновесной двухфазной системе, то есть в виде смеси жидкой и газообразной фаз. В области, окрашенной более тёмным цветом, рабочее тело – жидкость, в неокрашенной – газ. Особого внимания заслуживает участок dk этого цикла, на котором происходит квазиравновесный процесс, приводящий рабочее тело в критическую точку k.  Частичная конденсация рабочего тела при температуре ниже Ткр (линия dk), приводит рабочее тело в критическое состояние. Дело в том, что при конденсации части паров рабочего тела при теплоизоляции, то есть в политропном процессе (в идеале – адиабатном), давление их должно снижаться, а выделяемое при конденсации тепло должно повышать температуру и, следовательно, давление.
        Эти противоположно направленные изменения частично компенсируют друг друга, приводя пары рабочего тела в критическую точку k, в которой конденсация не сопровождается выделением тепла (qскр = 0). Цикл типа abcdk можно реализовать посредством любого двигателя внешнего нагрева, например, двигателя Стирлинга, роторно-лопастного двигателя, турбинного или поршневого детандера, используемых в установках сжижения газов. Необходимо только соблюдение следующих условий:
        1. Внутренний объём двигателя должен быть герметичным для создания внутри двигателя давлений, соответствующих критическим параметрам рабочего тела, и во избежание утечек рабочего тела.
        2. Для каждого интервала рабочих температур необходимо соответствующее рабочее тело, критические параметры которого позволяют организовать рабочий цикл типа  abcdk. При этом интервал рабочих температур должен быть минимально допустимым для обеспечения самого цикла с учётом неизбежных теплопотерь.
        Иначе говоря, в качестве рабочего тела необходимо применение вещества, критические параметры которого (критическая температура Ткр и критическое давление Ркр) находятся внутри рабочего цикла, то есть выполняются условия:
        Тх < Ткр < Тн   и Рх  < Ркр < Рн , где
        Тх и Тн  – абсолютные температуры холодильника и нагревателя,
        Рх и Рн  – давление в холодильнике и нагревателе соответственно.
        При этом количество получаемой энергии определено, главным образом, величиной скрытой теплоты агрегатного перехода при постоянной температуре, то есть знаменитый цикл Карно, с его ограничениями кпд остаётся не у дел. Более того, нужно стремиться к уменьшению площади цикла в PV-координатах, подбирая в качестве рабочих тел вещества, критические параметры которых попадают в ожидаемый температурный диапазон при разумных рабочих давлениях. Такими веществами, применение которых возможно в интервале рабочих температур от комнатной до ~ 7000 К, могут быть, например, н-пентан, гексан, метиловый спирт, различные фреоны или иные легкокипящие жидкости. Каждое из них имеет свои критические параметры, что позволяет подобрать рабочее тело, соответствующее заданному интервалу рабочих температур. Так, например, для рабочих температур Тн = 40°С и Тх  = 30°С может быть применён ацетилен (С2Н2), критическая температура Ткр, = 35,7°С, критическое давление Ркр = 6,16 МПа  (именно для создания Ркр  в объёме двигателя и нужна герметичность).
        Двигатель, реализующий заявленный способ преобразования энергии, имеющий высокий КПД при малых значениях разности температур нагревателя и холодильника (даже в пределах нескольких градусов Цельсия), сможет работать в петротермальном режиме на неглубоких скважинах в широком территориальном диапазоне. Такой двигатель может вращать электрогенератор и стабильно вырабатывать электроэнергию там, где другие способы её выработки, даже термопары, малоэффективны.
В оглавление