Геотермальная энергия и ее применение

Содержание Введение Геотермальная энергия и ее применение

1. Основные достоинства и недостатки геотермальной энергии

2. Мировой потенциал геотермальной энергии и перспективы его использования

3. Перспективы развития геотермальной электроэнергетики в странах Евросоюза, в России и на Украине

4. Геотермальное теплоснабжение

5. Геотермальные электростанции

6. Анализ отдельных типов ГеоТЭС

7. Управление геотермальной электростанцией

8. Возможные проявления местной сейсмической активности в геотермальных районах после ввода в них в эксплуатацию ГеоТЭС

9. Рост востребованности геотермальной энергетики Заключение Литература Введение Тема контрольной работы «Геотермальная энергия и ее применение» по дисциплине «Электротехника»

Еще 150 лет тому назад на нашей планете использовались исключительно возобновляемые и экологически безопасные источники энергии: водные потоки рек и морских приливов — для вращения водяных колес, ветер — для приведение в действие мельниц и парусов, дрова, торф, отходы сельского хозяйства — для отопления. Однако с конца ХІХ века все более и более растущие темпы бурного промышленного развития вызвали необходимость сверхинтенсивного освоения и развития сначала топливной, а затем и атомной энергетики. Это привело к стремительному истощению углеродных ископаемых и к все более возрастающей опасности радиоактивного заражения и парникового эффекта земной атмосферы.

Поэтому на пороге нынешнего века пришлось вновь обратиться к безопасным и возобновляемым энергетическим источникам: ветровой, солнечной, геотермальной, приливной энергии, энергии биомасс растительного и животного мира и на их основе создавать и успешно эксплуатировать новые нетрадиционные энергоустановки: приливные электростанции (ПЭС), ветровые энергоустановки (ВЭУ), геотермальные (ГеоТЭС) и солнечные (СЭС) электростанции, волновые энергоустановки (ВлЭУ), морские электростанции на месторождениях газа (КЭС).

В то время, как достигнутые успехи в создании ветровых, солнечных и ряда других типов нетрадиционных энергоустановок широко освещаются в журнальных публикациях, геотермальным энергоустановкам и, в частности, геотермальным электростанциям не уделяется того внимания, которого они по праву заслуживают. А между тем перспективы использования энергии тепла Земли поистине безграничны, поскольку под поверхностью нашей планеты, являющейся, образно говоря, гигантским естественным энергетическим котлом, сосредоточены огромнейшие резервы тепла и энергии, основными источниками которых являются происходящие в земной коре и мантии радиоактивные превращения, вызываемые распадом радиоактивных изотопов. Энергия этих источников столь велика, что она ежегодно на несколько сантиметров сдвигает литосферные пласты Земли, вызывает дрейф материков, землетрясения и извержения вулканов, из которых действующих, т. е. периодически извергавшихся за последние 500 лет, насчитывается 486. Кроме действующих, различают также потухшие или «уснувшие» вулканы, которые могут «проснуться» и начать извергаться в любой момент, как это, например, случилось в 79 году нашей эры с вулканом Везувий, который до этого пребывал в состоянии длительного покоя.

Геотермальная энергия и ее применение Явные проявления колоссальной энергии тепла Земли наблюдаются в виде землетрясений и извержений вулканов, вызывающих огромные разрушения, в сотни и даже тысячи раз превосходящие разрушения от взрыва атомной бомбы. Эти проявления стихии сопровождаются также многочисленными человеческими жертвами, зачастую насчитывающими десятки и даже сотни тысяч человек, погибших под завалами разрушенных домов, как это, например, недавно произошло в Китае.

Совсем другая картина наблюдается в случае, когда тот или иной вулкан не извергает лаву и пепел, а находится в спокойном состоянии, как это наглядно демонстрируют приведенные на рис. 1 фотографии Мутновского вулкана, расположенного на юге Камчатки (Российская Федерация). На этих фотографиях показано: панорама внутри вулкана (а), в окрестности вулкана (6), в кратере вулкана (в).

К сожалению, человечество еще не научилось использовать энергию вулканов в мирных целях. А вот рассматриваемые далее скрытые, на первый взгляд незаметные, проявления энергии земных кедр, уже давно эффективно используются людьми для получения тепловой, а в течение последних почти 100 лет также и электрической энергии [1−8]. Одним из таких скрытых проявлений этой энергии является рост температуры земной коры и мантии по мере приближения к ядру Земли. Эта температура с глубиной повышается в среднем на 20 °C на 1 км, достигая на уровне 2−3 км от поверхности Земли более 100, а на глубине 100 км даже 1300−1500°С, что вызывает нагрев воды, циркулирующей на больших глубинах, до значительных температур. В вулканических регионах нашей планеты эта вода поднимается на поверхность по трещинам в земной коре, а в сейсмически спокойных регионах ее можно выводить на поверхность по пробуренным скважинам. Для этого достаточно закачивать в эти скважины вниз холодную воду, получая при этом по рядом пробуренным скважинам поднимающуюся вверх перегретую геотермальную воду и образовавшийся из нее пар.

Несмотря на кажущуюся простоту получения перегретой геотермальной воды и образующегося из нее пара и последующего преобразования энергии этой воды и пара в электроэнергию с помощью турбин и подсоединенных к ним турбогенераторов, техническая реализация такого способа получения электроэнергии, подробно рассматриваемого в этой работе, является достаточно сложной научно-технической проблемой. Об этом, в частности, свидетельствует хотя бы тот факт, что в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии и некоторых других странах в течение последних 20 лет затраты только на создание новых геотермальных технологий превысили 2 млрд. долларов США.

1. Основные достоинства и недостатки геотермальной энергии Современная востребованность геотермальной энергии как одного из видов возобновляемой энергии обусловлена: истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран от его импорта (в основном импорта нефти и газа), а также существенным отрицательным влиянием топливной и ядерной энергетики на среду обитания человека и на дикую природу. Все же, применяя геотермальную энергию, следует в полной мере /читывать ее достоинства и недостатки [3, 6, 7].

Главным достоинством геотермальной энергии является возможность ее использования в виде геотермальной воды или смеси воды и пара (в зависимости от их температуры для нужд горячего водои теплоснабжения, для выработки электроэнергии, либо одновременно для всех трех целей, ее практическая неиссякаемость, полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Тем самым использование геотермальной энергии (наряду с использованием других экологически чистых возобновляемых источников энергии) может внести существенный вклад в решение следующих неотложных проблем:

— Обеспечение устойчивого теплои электроснабжения населения в тех зонах нашей планеты, где централизованное энергоснабжение отсутствует или обходится слишком дорого (например, в России на Камчатке, в районах Крайнего Севера и т. п.).

— Обеспечение гарантированного минимума энергоснабжения населения в зонах неустойчивого централизованного энергоснабжения из-за дефицита электроэнергии в энергосистемах, предотвращение ущерба от аварийных и ограничительных отключений и т. п.

— Снижение вредных выбросов от энергоустановок в отдельных регионах со сложной экологической обстановкой.

При этом в вулканических регионах планеты высокотемпературное тепло, нагревающее геотермальную воду до значений температур, превышающих 140−150°С, экономически наиболее выгодно использовать для выработки электроэнергии. Подземные геотермальные воды со значениями температур, не превышающими 100 °C, как правило, экономически выгодно использовать для нужд теплоснабжения, горячего водоснабжения и для других целей в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл.1.

Табл.1

Обратим внимание на то, что эти рекомендации по мере развития и совершенствования геотермальных технологий пересматриваются в сторону использования для производства электроэнергии геотермальных вод с все более низкими температурами. Так, разработанные в настоящее время комбинированные схемы использования геотермальных источников позволяют использовать для производства электроэнергии теплоносители с начальными температурами 70−80°С, что значительно ниже рекомендуемых в табл.1 температур (150°С и выше). В частности, в Санкт-Петербургском политехническом институте созданы гидропаровые турбины, использование которых на ГеоТЭС позволяет увеличивать полезную мощность двухконтурных систем (второй контур — водный пар) в диапазоне температур 20−200°С в среднем на 22%.

Значительно повышается эффективность применения термальных вод при их комплексном использовании. При этом в разных технологических процессах можно достичь наиболее полной реализации теплового потенциала воды, в том числе и остаточного, а также получить содержащиеся в термальной воде ценные компоненты (йод, бром, литий, цезий, кухонная соль, глауберова соль, борная кислота и многие другие) для их промышленного использования.

Основной недостаток геотермальной энергии — необходимость обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. Другой недостаток этой энергии заключается в высокой минерализации термальных вод большинства месторождений и наличии в воде токсичных соединений и металлов, что в большинстве случаев исключает возможность сброса этих вод в расположенные на поверхности природные водные системы.

Отмеченные выше недостатки геотермальной энергии приводят к тому, что для практического использования теплоты геотермальных вод необходимы значительные капитальные затраты на бурение скважин, обратную закачку отработанной геотермальной воды, а также на создание коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования.

Однако в связи с внедрением новых, менее затратных, технологий бурения скважин, применением эффективных способов очистки воды от токсичных соединений и металлов капитальные затраты на отбор тепла от геотермальных вод непрерывно снижаются. К тому же следует иметь ввиду, что геотермальная энергетика в последнее время существенно продвинулась в своем развитии. Так, последние разработки показали возможность выработки электроэнергии при температуре пароводяной смеси ниже 80 °C, что позволяет гораздо шире применять ГеоТЭС для выработки электроэнергии. В связи с эти ожидается, что в странах со значительным геотермальным потенциалом и в первую очередь в США мощность ГеоТЭС в самое ближайшее время удвоится.

Еще более впечатляет появившаяся несколько лет тому назад новая, разработанная австралийской компанией Geo dynamics Ltd., поистине революционная технология строительства ГеоТЭС — так называемая технология Hot-Dry-Rock, существенно повышающая эффективность преобразования энергии геотермальных вод в электроэнергию. Суть этой технологии заключается в следующем.

До самого последнего времени в термоэнергетике незыблемым считался главный принцип работы всех геотермальных станций, заключающийся в использовании естественного выхода пара из подземных резервуаров и источников. Австралийцы отступили от этого принципа и решили сами создать подходящий «гейзер». Для создания такого гейзера австралийские геофизики отыскали в пустыне на юго-востоке Австралии точку, где тектоника и изолированность скальных пород создают аномалию, которая круглогодично поддерживает в округе очень высокую температуру. По оценкам австралийских геологов, залегающие на глубине — 4,5 км гранитные породы разогреваются до 270^єС, и поэтому если на такую глубину через скважину закачать под большим давлением воду, то она, повсеместно проникая в трещины горячего гранита, будет их расширять, одновременно нагреваясь, а затем по другой пробуренной скважине будет подниматься на поверхность. После этого нагретую воду можно будет без особого труда собирать в теплообменнике, а полученную от нее энергию использовать для испарения другой жидкости с более низкой температурой кипения, пар которой, в свою очередь, и приведет в действие паровые турбины. Вода, отдавшая геотермальное тепло, вновь будет направлена через скважину на глубину, и цикл таким образом повторится. Принципиальная схема получения электроэнергии по технологии, предложенной австралийской компанией Geodynamics Ltd., приведена на рис. 2.

Безусловно, реализовать эту технологию можно не в любом месте, а только там, где залегающий на глубине гранит нагревается до температуры не менее 250−270°С. При применении такой технологии ключевую роль играет температура, понижение которой на 50 °C по оценкам ученых вдвое повысит стоимость электроэнергии.

Для подтверждения прогнозов специалисты компании Geodynamics Ltd. уже пробурили две скважины глубиной по 4,5 км каждая и получили доказательство того, что на этой глубине температура достигает искомых 270−300°С. В настоящее время проводятся работы по оценке общих запасов геотермальной энергии в этой аномальной точке юга Австралии. По предварительным расчетам в этой аномальной точке можно получать электроэнергию мощностью более 1 ГВт, причем стоимость этой энергии будет вдвое дешевле стоимости ветровой энергии и в 8−10 раз дешевле солнечной.

2. Мировой потенциал геотермальной энергии и перспективы его использования Группа экспертов из Всемирной ассоциации по вопросам геотермальной энергии, которая произвела оценку запасов низкои высокотемпературной геотермальной энергии для каждого континента, получила следующие данные по потенциалу различных типов геотермальных источников нашей планеты (табл.2).

Табл.2

Как видно из табл.2, потенциал геотермальных источников энергии просто таки колоссален. Однако используется он крайне незначительно: установленная мощность ГеоТЭС во всем мире на начало 1990;х годов составляла всего лишь около 5000 МВт, а на начало 2000;х годов — около 6000 МВт, существенно уступая по этому показателю большинству электростанций, работающих на других возобновляемых источниках энергии. Да и выработка электроэнергии на ГеоТЭС в этот период времени была незначительной. Об этом свидетельствуют следующие данные. В структуре мирового производства электроэнергии возобновляемые источники энергии (к которым согласно классификации Международного энергетического агентства (IEA) относятся: сжигаемые возобновляемые источники энергии и отходы биомассы, гидро-, геотермальная и солнечная энергия, энергия ветра, а также энергия приливов, морских волн океанов) в 2000 году обеспечили 19% общемирового производства электроэнергии — сразу после угля (39%), опередив атомную энергетику (17%), природный газ (17%) и нефть (8%). При этом, несмотря на значительные темпы развития, геотермальная, солнечная и ветровая энергия составляла в 2000 году менее 3% от общего объема использования энергии, получаемой от возобновляемых источников.

Однако в настоящее время геотермальная электроэнергетика развивается ускоренными темпами, не в последнюю очередь из-за галопирующего увеличения стоимости нефти и газа. Этому развитию во многом способствуют принятые во многих странах мира правительственные программы, поддерживающие это направление развития геотермальной энергетики.

Отметим, что геотермальные ресурсы разведаны в 80 странах мира и в 58 из них активно используются. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии, имеет особую правительственную поддержку. В США в 2005 году на ГеоТЭС было выработано около 16 млрд. кВт*ч электроэнергии в таких основных промышленных зонах, как зона Больших гейзеров, расположенная в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), северная часть Соленого моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности), Невада (235 МВт установленной мощности) и др. Геотермальная электроэнергетика бурно развивается также в ряде других стран, в том числе: на Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало 2003 года было установлено 1930 МВт электрической мощности, что позволило обеспечить около 27% потребностей страны в электроэнергии; в Италии, где в 2003 году действовали геотермальные энергоустановки общей мощностью в 790 МВт; в Исландии, где действуют пять теплофикационных ГеоТЭС общей электрической мощностью 420 МВт, вырабатывающие 26,5% всей электроэнергии в стране; в Кении, где в 2005 году действовали три ГеоТЭС общей электрической мощностью в 160 МВт и были разработаны планы по доведению этих мощностей до 576 МВт [3,7]. Перечень государств, где ускоренными темпами развивается геотермальная электроэнергетика, безусловно, можно продолжить, включив в их число также Россию и Украину.

Характеризуя развитие мировой геотермальной электроэнергетики как неотъемлемой составной части возобновляемой энергетики на более отдаленную перспективу, отметим следующее. Согласно прогнозным расчетам в 2030 году ожидается некоторое (до 12,5% по сравнению с 13,8% в 2000 году) снижение доли возобновляемых источников энергии в общемировом объеме производства энергии. При этом энергия солнца, ветра и геотермальных вод будет развиваться ускоренными темпами, ежегодно увеличиваясь в среднем на 4,1%, однако вследствие «низкого» старта их доля в структуре возобновляемых источников и в 2030 году будет оставаться наименьшей.

3. Перспективы развития геотермальной электроэнергетики в странах Евросоюза, в России и на Украине Охарактеризуем сначала перспективы развития геотермальной электроэнергетики в странах Евросоюза, обратив при этом особое внимание на проводимую в этих странах целенаправленную скоординированную государственную политику, направленную на существенное сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов за счет увеличения доли экологически чистой возобновляемой энергетики (в том числе и геотермальной) в общем энергопотреблении каждой из этих стран.

Согласно недавно приятым в ЕС двум директивам — Директиве Глав государств ЕС по сокращению выбросов парниковых газов, принятой в марте 2007 года, и Директиве Еврокомиссии ЕС по возобновляемой энергетике, принятой в январе 2008 года, — перед странами ЕС поставлена задача: достичь к 2020 году 20% сокращения выбросов парниковых газов и 20% доли возобновляемой энергетики (включая и геотермальную) в общем энергопотреблении.

При разработке Директивы по возобновляемой энергетике 2005 год был принят за базовый, и именно от него производился отсчет доли возобновляемой энергетики в энергопотреблении, которую каждая из 27 стран ЕС должна достичь к 2020 году. Для наглядности в табл.3 приведены 10 из 27 стран ЕС с указанием в их энергопотреблении доли возобновляемой энергетики в 2005 году и доли, которую запланировано достичь к 2020 году.

Очевидно, что выполнение столь грандиозных планов по повышению доли возобновляемой энергетики в общем электроэнергетическом балансе каждой из стран ЕС будет способствовать ускоренному развитию геотермальной энергетики в тех странах, где имеются реальные предпосылки для строительства ГеоТЭС. Этому в значительной мере будет способствовать и предусмотренное в Директиве Еврокомиссии ЕС по возобновляемой энергетике положение, согласно которому страна-член ЕС, которая может выработать больше возобновляемой энергии, чем ей установлено планом согласно Директиве, обладает возможностью и правом помочь своей соседке по ЕС путем продажи ей полученной сверхплановой возобновляемой энергии.

Охарактеризуем теперь достижения России и Украины в геотермальной электроэнергетике.

Россия при населении, составляющем около 2,4% от численности населения мира, обладает 12% мировых запасов нефти, 35% мировых запасов газа, 16% мировых запасов угля и 14% урана. Однако, несмотря на реальную возможность практически полного удовлетворения потребности энергетики страны в необходимых топливных ископаемых на многие десятилетия вперед, для России, как и для стран, обладающих гораздо меньшими топливными ресурсами, проблема использования возобновляемых источников энергии также является актуальной, в особенности для ее отдаленных регионов, таких, например, как Камчатка. Тем более, что многие из этих регионов имеют большие геотермальные ресурсы. Так, по данным Дальневосточного отделения Российской академии наук геотермальные ресурсы одной лишь Камчатки позволяют произвести 5000 МВт электроэнергии. А общие геотермальные ресурсы России в 10−1 2 раз превышают все разведанные запасы органического топлива.

В России созданы технические предпосылки для ускоренного развития геотермальной энергетики, выполнен значительный комплекс фундаментальных исследований в этой области, и, кроме того, еще в конце прошлого века определены зоны экономической, экологической и социальной эффективности использования нетрадиционных источников энергии, включая и геотермальную. И последующее развитие российской электроэнергетики полностью подтвердило правильность такого подхода к развитию возобновляемых источников энергии. Так, на начало 2006 г. в России разведано 56 месторождений термальных вод с дебитом, превышающим 300 тыс. м³/сутки. На 20 из этих месторождений осуществляется промышленная эксплуатация. Крупнейшие из них следующие: Паратунское (Камчатка), Казьминское и Черкесское (Карачаево-Черкессия и Ставропольский край), Кизлярское и Махачкалинское (Дагестан), Мостовское и Вознесенское (Краснодарский край). Три крупные российские ГеоТЭС расположены на территории Камчатки, суммарный электропотенциал термальных вод которой оценивается в 1 ГВт рабочей электрической мощности. Однако реализован этот потенциал только в размере 76,5 МВт установленной мощности ГеоТЭС (2004 г.), на которых ежегодно вырабатывается около 420 млн кВт-ч электроэнергии (2004 г.) [7,8]. В Ставропольском крае на Каясулинском месторождении начато (однако в настоящее время приостановлено) строительство дорогостоящей опытной Ставропольской ГеоТЭС мощностью 3 МВт. Разработан проект Океанской ГеоТЭС (остров Итуруп, Курилы) мощностью 34,5 МВт с годовой выработкой 1 07 млн кВт-ч электроэнергии.

Табл.3

Охарактеризуем теперь перспективы использования геотермальной энергии на Украине.

В настоящее время доля возобновляемых источников энергии в энергетике Украины (без учета гидроресурсов) не превышает 1%. При этом Украина занимает одно из первых мест в мире по количеству выбросов вредных веществ в атмосферу, что не в последнюю очередь вызвано сжиганием угля на тепловых электростанциях. Поэтому использование огромного потенциала возобновляемых энергоисточников, в том числе и геотермальных, может стать одним из перспективных путей улучшения не только энергетики Украины, но и экологического состояния окружающей среды.

Специалисты Института технической теплофизики НАН Украины в ходе выполнения государственной научно-технической программы «Экологически чистая геотермальная энергия на Украине» провели исследования и расчеты общего геотермального потенциала недр Украины. Эти исследования показали, что в Украине имеются 2 основных вида геотермальных источников энергии в виде теплоты сухих горных пород сосредоточенных в основном в северных и центральных регионах страны, которые залегают на глубинах до 5 км и имеют относительно невысокие температуры (до 100°С), и в виде залегающих на глубине до 3000 м нагретых до 120 °C термальных вод которые сосредоточены в Автономной республике Крым, Закарпатской, Харьковской и Полтавской областях, а также в Прикарпатском регионе.

Общий потенциал геотермальной энергии Украины оценивается в 51,2 млн. МВт-ч/год тепловой мощности и 2,5 млн. МВт-ч/год — для генерирующих установок. К сожалению, огромный геотермальный потенциал на Украине практически не используется. Геотермальные котельные функционируют только в Крыму и Закарпатье.

Значительными запасами находящихся на глубине 2 км геотермальных вод имеющих температуру 100−150°С, обладают Яворовский и Мостиский районы Львовской области. По прогнозам специалистов только на базе запасов этих термальных вод можно построить комплекс ГеоТЭС общей мощностью около 200 МВт.

Приведем мнение специалиста, Ю. П. Морозова, зав. отделом Геотермальной энергетики Института возобновляемой энергетики НАН Украины, г. Киев: «Преимущество геотермальной энергии, по сравнению с традиционными видами энергии, заключается в том, что геотермальная энергия добывается в виде нагретой воды или пара, т. е. непосредственно в виде теплоты, которая получается из недр Земли без использования топлива.

Наиболее распространенным в настоящее время является получение термальной воды и пара с обратной закачкой в подземный пласт.

На Украине можно организовать промышленную добычу термальных вод в четырех бассейнах: Закарпатском, Предкарпатском, Днепрово-Донецком и Причерноморском. Наиболее распространены на Украине термальные воды с температурой 70 °C. Наибольшая температура зафиксирована в Тарханкутском и Закарпатском месторождении, там на глубинах 4…5 км она составляет 200…230°С. Тем не менее, по экономическим показателям ГеоТЭС с использованием теплоты этих месторождений уступают традиционным ТЭС. В настоящее время на Украине введено в эксплуатацию 9 геотермальных установок общей мощностью 10,6 МВт.

Использование геотермальной энергии не связано с использованием значительных площадей на поверхности земли и не сопровождается значительными выбросами в атмосферу и отходами производства. Негативное влияние на окружающую среду при использовании геотермальных ресурсов одно из наименьших среди всех энергоисточников".

4. Геотермальное теплоснабжение Хотя в отдельных аномальных точках нашей планеты экономически выгодно бурить скважины глубиной 4,5−5,0 км [5], все же проведенный в ряде стран технико-экономический анализ показал, что при применении современной технологии использования тепла геотермальных вод экономически обоснованными являются системы с глубинами бурения скважин до 3 км. При таких глубинах бурения тепловой потенциал 90% геотермальных вод не превышает 100 °C и поэтому его целесообразно использовать преимущественно для целей геотермального теплоснабжения. В этом случае замена органического топлива теплом геотермальных вод оказывается намного более выгодной, чем при выработке электроэнергии.

Геотермальные воды, используемые для теплоснабжения, можно условно поделить на следующие 3 группы [6]:

— Воды, которые могут непосредственно использоваться потребителем и подогреваться без каких-либо отрицательных последствий, то есть воды наиболее высокого качества.

— Воды, которые могут непосредственно использоваться потребителями для отопления, но не могут подлежать подогреву из-за содержащихся в них веществ с агрессивными свойствами.

— Воды повышенной минерализации и агрессивности, которые невозможно использовать непосредственно.

Схема системы геотермального теплоснабжения, разработанная Институтом технической теплофизики НАН Украины, приведена на рис. 3, где обозначено: 1 — подземный коллектор; 2 — буровая скважина; 3 — газошламоотделитель; 4 — нагнетательный насос; 5 — нагнетательная буровая скважина; 6 — теплообменник отопительной системы; 7 — насос отопительной системы; 8 — теплообменник системы горячего водоснабжения; 9 — отопительная система; 10 — система горячего водоснабжения; 11 — источник воды для горячего водоснабжения; 12 — система утилизации газов и шламов.

Рис.3

Характеристики этой схемы системы геотермального теплоснабжения, приведены в табл.4.

В качестве примера рассмотрим современную систему геотермального теплоснабжения с расчетной тепловой мощностью 30 МВт и годовой выработкой тепловой энергии 49 тыс. МВт-ч, которая была построена в 1994 году в Германии в городе Эрдинге.

Тепловая схема этой системы, обеспечивающая теплоснабжение жилых и административных зданий города и аквапарка, показана на рис. 4, где обозначено: 1 — геотермальная скважина глубиной 2350 м с температурой 65 °C;

2 — погружной насос скважины, обеспечивающий расход геотермальной воды от 24 до 55 л/с; 3 — абсорбционный тепловой насос тепловой мощностью 6,8 МВт; 4 — мембранные фильтры, очищающие геотермальную воду до нормы холодного водоснабжения; 5 — аккумулятор холодной воды; 6 -насосы холодной воды; 7 — теплообменник нагрева воды для аквапарка; 8 — химводоочистка подпитки системы теплоснабжения; 9 — бак-аккумулятор подпиточной воды; 10 — подпиточный насос; 11 — потребители системы теплоснабжения; 12 — сетевой насос; 13 — теплообменник теплового насоса; 14 — котел.

Особенностью приведенной на рис. 4 системы геотермального теплоснабжения является то, что циркулирующая в этой системе обратная сетевая вода догревается утилизационным теплом теплового насоса с 50 до 75 °C и, соответственно, геотермальная вода охлаждается с 45 до 20 °C. Пиковое догревание сетевой воды осуществляется в двух газовых котлах с установленной тепловой мощностью по 10 МВт. Расчетный температурный режим системы теплоснабжения — 110−50°С.

5. Геотермальные электростанции Хотя начало промышленному освоению геотермальных ресурсов было положено около 100 лет тому назад еще в период подготовки к постройке и непосредственной постройки в Италии в 1916 г. ГеоТЭС мощностью 7,5 МВт с тремя турбинами единичной мощностью 2,5 МВт, однако «приручивание» геотермальной энергии с целью выработки электроэнергии растянулось на долгие десятилетия. По существу широкое промышленное строительство ГеоТЭС было развернуто только в 60-х годах прошлого века.

Столь длительная задержка в освоении геотермальной энергии для нужд электроэнергетики объясняется рядом трудностей, которые необходимо было преодолеть перед началом строительства каждой конкретной ГеоТЭС. Основная из этих трудностей заключается в определении достаточности геотермального потенциала для функционирования запроектированной к строительству ГеоТЭС во избежание значительного финансового риска в том случае, если окажется, что этот потенциал недостаточен. Это требует проведения большого объема дорогостоящих предварительных геологический исследований.

Другая специфическая трудность заключается в том, что удельный тепловой поток геотермальных вод то есть глубинный тепловой поток, отнесенный к единице поверхности Земли за единицу времени, очень мал. Поэтому для практического использования этого потока необходима разработка методов и способов его концентрации, а также передачи к местам применения. К тому же решение этой задачи осложняется еще и тем, что технологические схемы и оборудование ГеоТЭС практически не поддаются унификации, поскольку каждое геотермальное месторождение отличается от других месторождений своими уникальными характеристиками — геологическими свойствами, тепловым потенциалом, химическим составом и т. п.

Табл.4

Кроме того, при строительстве ГеоТЭС следует учитывать также ряд их специфических особенностей, основные из которых следующие [6]:

— Наличие постоянного излишка энергоресурсов, что позволяет обеспечивать использование полной установленной мощности оборудования этих станций.

— Довольно простая автоматизация процесса выработки электроэнергии.

— Последствия каких-либо аварий, которые могут возникнуть на ГеоТЭС, ограничиваются территорией станции.

— Удельные капиталовложения и себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на ГеоТЭС, ниже по сравнению с электроэнергией, вырабатываемой на основе других возобновляемых источников энергии.

— Строительство и последующая эксплуатация ГеоТЭС практически не создают экологических проблем для окружающей среды.

Кратко поясним последнюю из приведенных выше особенностей ГеоТЭС. Выбросы углекислого газа на современных ГеоТЭС минимальны — они либо вообще отсутствуют, либо незначительны и составляют около 0,45 кг на 1 МВт-ч вырабатываемой на станции электроэнергии, тогда как на электростанции, работающей на природном газе, они составляют 464 кг, электростанции на нефти — 720 кг, на угле -819 кг. Кроме того, бурение геотермальных буровых скважин намного меньше влияет на окружающую среду, чем разработка любых других источников энергии.

Технологическая геотермальная вода постоянно изолирована от подземных вод трубопроводом, вмонтированным в буровую скважину. Ландшафт вокруг геотермальной установки не портят ни шахты, ни туннели, ни груды отходов. Под геотермальные установки нужны совсем небольшие участки земли, намного меньшие, чем под энергоустановки других типов, причем эти установки можно размещать практически на любых землях, в частности, на сельскохозяйственных угодьях. Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению основных типов ГеоТЭС.

ГеоТЭС принято делить, но следующие три основные типа:

1. Станции, работающие на месторождениях сухого пара.

2. Станции с сепаратором, работающие на месторождениях горячей воды под давлением (иногда с насосом на дне буровой скважины для обеспечения необходимого объема поступающего энергоносителя).

3. Станции с бинарным циклом, в которых геотермальная теплота передается ко вторичной жидкости, например, фреону или изобутану, и происходит классический цикл Ренкина. Такие ГеоТЭС работают на месторождениях сильно минерализированой горячей воды.

Принципиальная тепловая схема ГеоТЭС, работающей на месторождениях сухого пара, с паровой турбиной и паропреобразователем приведена на рис. 5, где обозначено: I — скважина; 2 — паропреобразователь; 3 — конденсационная турбина с присоединенным к ней турбогенератором; 4 — конденсатор поверхностного типа; 5 — конденсатно-питательный насос; 6 — насос охлаждающей воды; 7- водоводяной теплообменник; 8 — эжекторная группа.

ГеоТЭС, схема которой показана на рис. 5, работает следующим образом. Пар из скважины поступает в паропреобразователь 2, где он отдает свое тепло вторичному теплоносителю, циркулирующему по замкнутому контуру турбина-конденсатор-паропреобразователь-турбина. При этом пар в паропреобразователе 2 конденсируется, а несконденсировавшиеся газы с избыточным давлением выбрасываются в атмосферу или направляются в химическое производство для дальнейшего использования.

Вторичный, совершенно чистый пар направляется в конденсационную турбину 3, а пар, отработавший в турбине, — в поверхностный конденсатор 4, из которого конденсат забирается насосом 5 и подается в паропреобразователь 2 через теплообменник 7. В теплообменнике конденсат турбины предварительно подогревается за счет охлаждения конденсата подземного пара, что позволяет добиться некоторого увеличения выработки вторичного пара и электроэнергии при постоянном расходе подземного тепла. Эжекторная группа 8, состоящая из водоструйного эжектора, бака и эжекторного насоса, служит для удаления воздуха, проникшего в конденсационное устройство через неплотности.

Рассмотрев на основе работ [1−9] основные достоинства и недостатки геотермальной энергии, ее мировой потенциал и перспективы его использования в странах Евросоюза, в России и на Украине, а также проблемы геотермального теплоснабжения, перейдем теперь к анализу отдельных типов ГеоТЭС.

6. Анализ отдельных типов ГеоТЭС На ГеоТЭС первого типа, то есть на ГеоТЭС, работающих на месторождениях сухого пара, использование паропреобразователя обеспечивает выработку чистого пара, поступающего в турбины. Тем самым установленные на ГеоТЭС турбины оказываются надежно защищенными от воздействия содержащихся в подземном паре агрессивных газов и таких агрессивных по отношению к металлам химических соединений, как углекислота, сероводород, борная кислота, аммиак и др. Кроме того, использование паропреобразователя позволяет успешно справиться с решением еще одной проблемы — с удалением из конденсаторов неконденсирующихся газов. В то же время зона, ограниченная поверхностью нагрева паропреобразователя и теплообменника, а также трубопроводами подземного пара и конденсата, непрерывно подвергается химической коррозии, и поэтому все оборудование этой зоны должно быть выполнено из антикоррозионных материалов, что заметно удорожает строительство таких станций.

На ГеоТЭС второго типа (станциях с сепаратором) используются геотермальные воды с температурой, превышающей 190 °C. На таких станциях геотермальная вода, естественным образом поднимающаяся вверх по буровой скважине, подается в сепаратор, где некоторая ее часть кипит и превращается в пар, используемый для получения электроэнергии.

Строение ГеоТЭС третьего типа, то есть станций с бинарным циклом, предложенным советским инженером А. Калиной, основано на двух замкнутых циклах: один для геотермальной воды, второй — для рабочей жидкости или газа с низкой температурой кипения. На этих станциях рабочая жидкость, нагретая геотермальной водой, превращается в пар, затем используется теплообменник и, наконец, пар поступает в турбину, обеспечивая ее вращение. Поскольку оба контура замкнутые, выбросы практически отсутствуют, что делает систему экологически чистой. Особенностью работы бинарных ГеоТЭС является то, что в них рабочая жидкость, например, двухкомпонентная водно-аммиачная смесь, испаряется при более низкой температуре, чем вода. Поэтому такие станции работают при значительно более низких температурах, чем другие типы геотермальных станций (100−190°С), и в них достигается гораздо больший КПД, чем в ГеоТЭС традиционного исполнения. Если учесть, что в природе источники геотермальной воды с температурой ниже 190 °C являются наиболее распространенными, то и в будущем следует ожидать преимущественное строительство станций этого типа.

Отметим, что первая в мире ГеоТЭС с бинарным циклом была построена и пущена в опытно-промышленную эксплуатацию в 1967 г. на Камчатке. На этой станции мощностью 600 кВт, получившей название Паратунская ГеоТЭС, электроэнергия вырабатывалась из горячей воды с температурой более 80 °C. К настоящему времени бинарные ГеоТЭС работают во многих странах, их суммарная мощность превышает 500 МВт. Применение таких станций позволяет быстро и надежно обеспечивать электроэнергией поселки и небольшие города, находящиеся вдали от районов с центральным электроснабжением.

Рассмотрим теперь типичные тепловые схемы двух ГеоТЭС, одна из которых была построена в США, а другая в бывшем Советском Союзе [1−3].

Тепловая схема первой очереди американской ГеоТЭС Большие Гейзеры, построенной в 1961 году в США, в 130 километрах от Сан-Франциско, приведена на рис. 6, где обозначено: 1 — скважина; 2 — турбогенератор мощностью 12,5 МВт; 3,4,5 — основной барометрический, промежуточный и конечный конденсаторы соответственно; 6 — маслоохладитель; 7,8 — эжектор первой и второй ступени соответственно; 9 вентиляторная градирня; 10- циркуляционный насос; 11 — сборник теплой воды; 12, 13 — бак и насос чистой воды соответственно.

геотермальный электростанция энергия теплоснабжение

Мощность первой очереди этой станции составляла 12,5 МВт, а уже через два года она была увеличена до 25 МВт. Показательно, что стоимость строительства этой станции, несмотря на отсутствие опыта строительства подобных станций, составила лишь 55% от стоимости строительства ТЭС такой же мощности.

ГеоТЭС Большие Гейзеры работает следующим образом. Пар из пробуренных скважин при давлении 7,0 атм и с температурой 175 °C направляется непосредственно в турбину мощностью 12,5 МВт, а небольшое количество этого пара расходуется на эжекторы конденсационного устройства. Эжектор первой ступени расходует 2,4 т/ч пара, а эжектор второй ступени — 2,2 т/ч при общем рос-ходе пара установкой 109 т/ч. Отработавший в турбине пар направляется в основной барометрический конденсатор, в котором конденсируется его основное количество при давлении 0,14 атм. Расход воды на этот конденсатор составляет 2500 м³/ч при температуре 27 °C. Несконденсировавшиеся газы в смеси с оставшимся количеством пара отсасываются из основного конденсатора и направляются в промежуточный конденсатор, где поддерживается давление около 0,4 атм. Расход охлаждающей воды на этот конденсатор составляет 75 м³/ч. Парогазовая смесь из промежуточного конденсатора отсасывается эжектором второй ступени и направляется в конечный конденсатор, работающий при избыточном давлении 0,07 атм. Расход воды на этот конденсатор составляет 25 м³/ч. Охлажденные в конечном конденсаторе газы с избыточным давлением выбрасываются в атмосферу.

Смесь охлаждающей воды и конденсата отработавшего пара из всех трех конденсаторов по барометрическим трубам самотеком сливается в сборник горячей воды, из которого вода циркуляционным насосом подается для охлаждения в вентиляторную градирню и после ее охлажденная в градирне вторым циркуляционным насосом возвращается в смешивающие конденсаторы и в маслоохладитель. Турбогенератор электростанции не имеет воздухоохладителя. Он охлаждается воздухом, забираемым снаружи здания, по разомкнутой схеме.

Тепловая схема первой очереди Паужетской ГеоТЭС, построенной в 1966 году в бывшем Советском Союзе на юге Камчатки, в долине реки Пау-жетки, показана на рис. 7, где обозначено: 1 — скважина; 2 — сепаратор; 3 — паропровод; 4 — турбина; 5 — генератор; 6 — смешивающий конденсатор; 7 — водоструйный эжектор; 8 — эжекторный насос; 9 — барометрическая труба; 10 — бак охлаждающей воды; 11 — сливной колодец; 12 — насос горячей воды; 13 трубопровод холодной воды.

Мощность первой очереди этой станции составила 5 МВт, а после постройки в 1982 году второй ее очереди было доведена до 11 МВт. Особенность работы этой электростанции заключается в том, что на ней пароводяная смесь с теплосодержанием до 200 ккал/кг поступает по пробуренным скважинам на поверхность, а затем направляется в установленный в скважине сепаратор. В нем при давлении около 2,3 атм происходит отделение пара от воды, а затем отделенный от воды пар направляется по трубопроводам в установленные в машзале электростанции две турбины мощностью по 2,5 МВт, а горячая вода при температуре 120 °C используется для нужд отопления здания электростанции и жилого поселка.

7. Управление геотермальной электростанцией Рассмотрим управление современной ГеоТЭС на примере системы управления первой в Прибалтике показательной Клайпедской геотермальной электростанцией мощностью 43 МВт, которая ежегодно вырабатывает 560 ТДж дешевой и экологически чистой теплоэнергии для жителей города Клайпеды и Клайпедской свободной экономической зоны.

На этой ГеоТЭС пробурены 4 скважины, по двум из которых геотермальные воды при помощи глубинных насосов, погруженных на глубину 300 м, поднимаются из девонского слоя, находящегося на глубине 1135 м. Температура геотермальной воды на этой глубине, составляющей 38 °C, в абсорбционных теплонасосах доводится до 70 °C, и подогретая до такой температуры вода подается в теплосети Клайпеды для обеспечения города теплоэнергией. Через две инжекционные скважины геотермальная вода, охлажденная до 1 1 °C и очищенная в фильтрах на нескольких уровнях, возвращается обратно в землю, в тот же самый слой, находящийся на глубине 1135 м.

Клайпедская ГеоТЭС, работающая на полную мощность, не только не наносит ущерб окружающей среде, но, наоборот, ежегодно избавляет атмосферу от 52 тыс. тонн двуокиси углерода и 270 тонн оксидов азота, которые ежегодно выделялись бы при сжигании органического топлива на обычной ТЭС.

Общая концепция системы автоматизации и визуализации процессов на Клайпедской ГеоТЭС показана на рис. 8, где обозначено: 1 — программируемые логические контроллеры Allen Bredley, предназначенные для управления: геотермическим циклом 2, котельной установкой 3 и центральным теплоснабжением 4; 5 — хаб; 6 — локальная сеть; 7 — клиенты, предприятие, рабочие станции; 8 — контроль и управление рабочими станциями с дистанционных терминалов; 9 — модем; 10 — рабочие станции; 11 коммутатор; 12 — сервер.

Особенностью этой системы управления является то, что в ней управление рабочими станциями осуществляется с ПК с использованием программного обеспечения (ПО) по автоматизации inTouch, позволяющего отображать контролируемые процессы на экране, обрабатывать аварийные сигналы, а также архивировать данные.

Кроме того, входящий в состав системы автоматизации сервер группы ПК для организации системы отчетности на основе базы данных позволяет осуществлять сбор данных, формировать систему отчетности, управлять событиями, отображать процессы на экране, архивировать данные и выполнять целый ряд других функций. Дистанционное управление и доступ к средствам отчетности в системе управления осуществляется через локальные сети и интернет с рабочих мест, каждое из которых оснащено ПК.

8. Возможные проявления местной сейсмической активности в геотермальных районах после ввода в них в эксплуатацию ГеоТЭС В ряде крупных геотермальных месторождений земного шара при скважинном извлечении геотермальных вод наблюдается местная сейсмическая активность в виде микроземлетрясений с магнитудой М, обычно не превышающей 4,5 балла, и глубиной проявления очагов этих землетрясений до 6 и реже до 13 км, причем не сразу после завершения строительства ГеоТЭС, а позднее, после нескольких лет ее эксплуатации. По этому показателю не явилось исключением и Паужетское месторождение на юге Камчатки, где в 1 966 году была введена в эксплуатацию первая очередь Паужетской ГеоТЭС. Если за десятилетний периоде с 1962 по 1972 год включительно в отдельные годы в непосредственной близости от площадки станции случались лишь единичные небольшие землетрясения, то начиная с 1973 года произошла резкая локальная активизация этого района, которую геофизики называют наведенной сейсмичностью: в 1973 году произошло около 300, а в последующие четыре года примерно по 500 поверхностных землетрясений ежегодно. При этом в 1975 и 1976 годах эти землетрясения имели магнитуду М=5, и на сейсмостанции «Паужетка», расположенной в нескольких сотнях метров от ГеоТЭС, они были зарегистрированы как землетрясения силой в 6 баллов, что соответствует расстоянию до эпицентра не более 8 км. Распределение по годам в периоде с 1994 по 2004 год локальных землетрясений, зафиксированных сейсмостанцией «Паужетка», приведено на рис. 9.

Наиболее сильны и опасны землетрясения, вызываемые наведенной сейсмичностью, в тех случаях, когда они происходят вблизи геотермальных месторождений в крупных тектонических разломах, поскольку такие землетрясения могут произойти через значительный промежуток времени после начала их разработки. Поэтому вопросы изучения, индустриального освоения и комплексного мониторинга таких месторождений исключительно актуальны.

Возникновение землетрясений под влиянием воздействия промышленной эксплуатации геотермальных месторождений (а в некоторых случаях даже перед такой эксплуатацией, то есть после проведения бурильных работ) является серьезным экологическим последствием их разработки. Эта проблема в настоящее время является одной из важнейших для геоэкологии, поскольку явление еще мало изучено и характеризуется непредсказуемостью развития процесса в силу того, что оно вызывается комплексом причин, необычных для окружающей среды.

Характерным примером возникновения локальных землетрясений, вызванных работами по бурению скважин, уходящих в недра земли на глубину до 5 км, является строительство в окрестностях Базеля опытного проекта Deep Heat Mining по сооружению ГеоТЭС, которая предназначалась для снабжения электроэнергией и отоплением более 5000 домашних хозяйств. Планируемый срок окончания работ был намечен на 2009 г. Однако после проведенных бурильных работ в конце 2006 — начале 2007 г. последовала серия подземных толчков, вследствие чего проект пришлось приостановить.

9. Рост востребованности геотермальной энергетики В заключение отметим, что востребованность геотермальной энергетики как одной из составных частей возобновляемой энергетики с каждым годом продолжает расти. Это обусловлено как истощением запасов органического топлива и зависимостью большинства развитых стран мира от его импорта, так и существенным отрицательным влиянием традиционной энергетики, основанной на сжигании органического топлива, на среду обитания человека и дикую природу.

Промышленная добыча нефти началась в XIX, а газа — в XX веке. Запасы этих, как и других видов ископаемого топлива, быстро истощаются. Из известных к настоящему времени более 42 000 нефтяных месторождений три четверти всех мировых запасов нефти сосредоточены только в трех из них, причем после 1977 года не было открыто ни одного нового крупного месторождения. В связи с этим роль молодой, быстро развивающейся геотермальной энергетики для будущего человечества трудно переоценить.

Работы по проектированию и вводу в промышленную эксплуатацию новых ГеоТЭС в настоящее время проводятся в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, Новой Зеландии, а в самое последнее время также и в Австралии, где предложена и находится в стсщии практической реализации принципиально новая технология строительства ГеоТЭС — технология Hot-Dry-Rock [5], подробно рассмотренная в первой части этой статьи. Кроме этих стран, к настоящему времени мощные ГеоТЭС построены также в Исландии, практически полностью обеспечившей себя электрической и тепловой энергией за счет собственной геотермальной и гидроэнергии. Общий вид одной из исландских ГеоТЭС показан на фото (Рис. 10).