Теоретические основы и технологии извлечения геотермальной энергии с использованием абсорбционных тепловых насосов

Актуальность темы

Президент Российской Федерации и Правительство России придают большое значение развитию энергетики и энергосбережению в России. Основой служит Закон Российской Федерации «Об энергосбережении», утвержденный Президентом РФ 3 апреля 1996 года № 28 ФЗ. В развитие его были разработаны и утверждены Основные направления энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года, а также Федеральная Целевая Программа (ФЦП) «Энергоэффективная экономика» на 2002 — 2005 годы и на перспективу до 2010 года.

В августе 2001 года Правительством Российской Федерации была утверждена Федеральная Целевая Программа «Юг России», в которой поставлены конкретные задачи как по развитию электроэнергетики в целом, так и по использованию возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на Юге России. В ФЦП отмечается, что Юг России обладает огромными ресурсами возобновляемых источников энергии. Особое значение при этом отводится вопросам защиты окружающей среды для рекреационно-туристических и са-нитарно-курортных зон региона, в которых эти вопросы могут решаться за счет использования ВИЭ.

Федеральный закон Российской Федерации N 261-ФЗ 23 ноября 2009 года «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» определяет создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Регулирование в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности основывается на следующих принципах:

1) эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов;

2) поддержка и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

3) системность и комплексность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности;

4) планирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

5) использование энергетических ресурсов с учетом ресурсных, производственно-технологических, экологических и социальных условий.

Программа призвана обеспечить реализацию энергетической стратегии государства, и предусматривает участие федеральных органов исполнительной власти и органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации в разработке и реализации мероприятий, направленных на решение проблем топливно-энергетического комплекса и обеспечение его эффективности. Учитывая географическое положение России, теплоэнергетика приобретает статус одной из наиболее жизненно важных отраслей. Запасы основных видов органического топлива в недрах Земли ограниченны и Россия, не смотря на свои огромные запасы топлива, стоит, как и другие государства, перед задачей более экономного использования топлива и поиска альтернативных источников энергии. Использование возобновляемых источников энергии (геотермальной и солнечной) может позволить снизить расход топлива на 5 — 10% [1−6].

В настоящее время можно считать, что целый ряд экономических и социальных факторов будут способствовать усилению интереса отдельных граждан, сельскохозяйственного, коммунально-бытового и курортно-оздоровительного секторов народного хозяйства России к приобретению и эксплуатации агрегатов и установок, использующих возобновляемые источники энергии. К этим факторам следует отнести: резкий рост цен на энергоносителиповышение законодательных требований к охране окружающей средыреальную возможность использования высвобождающихся мощностей оборонных предприятий для производства на высоком технологическом уровне агрегатов нетрадиционной энергетики по программам конверсиинамечаемые изменения в налоговой и кредитной политике по отношению к пользователям, производителям и разработчикам новой техники, в том числе нетрадиционной энергетики.

За последнее десятилетие был также значительно усилен международный акцент на экологический аспект использования энергии, особенно с точки зрения выбросов ССЬ в атмосферу. Дальнейший рост производства при соблюдении международных соглашений может осуществляться только при условии структурных изменений в энергетике. Подобное понимание общепланетарной экологической проблемы было и остается важнейшим фактором дальнейшей повсеместной реализации различных вариантов и схем использования альтернативных источников энергии, включая геотермальную энергию.

Большинство технологий и технических средств, используемых для преобразования нетрадиционных возобновляемых видов энергии (ВИЭ), не оказывают вредного воздействия на окружающую среду и могут считаться экологически чистыми. Выработка энергии на базе этих источников позволяет замещать значительные количества дефицитного органического топлива, сократить объемы перевозок топлива в отдаленные регионы, исключить образование и негативное воздействие продуктов сгорания, в том числе золы, оксидов азота и серы, на среду обитания. В настоящее время многие виды ВИЭ уже конкурентоспособны на энергетическом рынке, особенно геотермальная энергетика.

Существенным недостатком использования гидротермальных установок в различных практических целях является как их низкая удельная тепло-производительность, так и сложный химический состав подземных вод (значение рН, степень минерализации, ионно-солевой и газовый состав и др.), затрудняющий непосредственное практическое использование. Отработанные термальные воды содержат часто высокие концентрации мышьяка, бора, различных металлов, это представляет важную проблему, связанную с природоохранными мероприятиями.

Кроме того, распределение гидротермальных источников не соответствует плотности населения, в связи с преимущественным расположением высокопотенциальных гидротермических источников в зонах высокой геологической активности. Транспортирование же низкопотенциальной тепловой энергии на большие расстояния экономически не оправдано, что предполагает для окупаемости проекта выработку электроэнергии как наиболее мобильного источника энергии и развитие теплопотребляющей инфраструктуры вокруг источника (теплицы, зарыбленные водоемы, бальнеологические объекты и жилые дома). Однако создание такой инфраструктуры требует значительных капитальных вложений.

Использование тепла сухих горячих пород позволит снизить эксплуатационные затраты по сравнению с использованием термальных вод.

Указанный технический результат может достигаться за счет применения абсорбционного теплового насоса, что позволяет снизить эксплуатационные расходы, включая энергозатраты.

Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоснабжения предназначена для использования возобновляемых источников энергии на объектах жилищно-коммунального хозяйства в отдаленных районах, в которые затруднена или экономически нецелесообразна подача традиционных энергоресурсов. При этом технология «не при-вязна» к гидротермальным источникам. Разработанная технология может конкурировать с известными способами использования гидротермальных энергоресурсов, т. к. не требует развития инфраструктуры, потребляющей низкопотенциальное тепло вблизи скважины, а также с технологиями геотермального теплонасосного теплоснабжения коллекторного сбора тепла с парокомпрессорными тепловыми насосами, т. к. потребляет значительно меньше электроэнергии для своей работы.

Цель исследований. Эффективное извлечение и использование геотермальной энергии с помощью абсорбционных тепловых насосов.

Задачи исследования связанны с разработкой технологии извлечения и использования геотермальной энергии для нужд теплохолодоснабжения:

— анализ и оценка геотермического потенциала;

— разработка методов извлечения и использования низкопотенциального тепла геотермальной скважины для систем теплохолодоснабжения;

— разработка математической модели извлечения геотермальной энергии;

— разработка методики расчета извлечения геотермальной энергии;

— разработка программ расчета извлечения геотермальной энергии;

— согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии;

— оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии.

Изучаемые явления. Геотермальный потенциал скважин. Распределение температуры в грунтах скважины при извлечении геотермальной энергии. Абсорбционные тепловые насосы. Температурные режимы использования геотермальной энергии для систем теплохолодоснабжения.

Объект исследования. Петротермальная энергия. Геотермальная скважина и работа абсорбционного теплового насоса на геотермальной энергии для теплохолодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства.

Используемые средства. Данные по геотермическому потенциалу скважин. Пакет прикладных программ для программирования и статистической обработки результатов экспериментов.

Методы исследования. В работе использованы методы теории подобия, интегрального и дифференциального исчисления, математической статистики, методы оптимизации и системный анализ, а также наряду с аналитическими методами в исследованиях применялось компьютерное моделирование.

Научная новизна исследования:

— разработаны новые способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем теплохолодоснабжения при извлечении петротер-мальной энергии глубинных скважин;

— построена математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород, учитывающая нестационарность тепловых процессов в скважине;

— предложена новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

— предложена новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем теплохолодоснабжения.

— теоретически обоснованна и разработана высокоэффективная конструкция теплогенератора для совместной работы в пиковых режимах.

Достоверность научных положений и полученных в работе результатов основана на корректности постановки задач исследования и принятых упрощающих допущенийподтверждается применением физически обоснованных математических моделей и удовлетворительным соответствием аналитических расчетов с данными, полученными экспериментально на опытных и пилотных установках другими исследователями, а также достаточно широкой публикацией результатов работы и их обсуждением на научных конференциях различного уровня.

Практическая значимость. Результаты научных исследований включены в отчет о научно-исследовательской работе по государственному контракту от 22 июня 2007 г. № 02.516.11.6059 «Технология извлечения и использования геотермальной энергии для систем тепло-холодоснабжения» Шифр «2007;6−1.6−13−02−016» (Акт внедрения).

Результаты исследования внедрены на предприятии ООО Фирма «Эко-логия-Термо» г. Ставрополь (конструкция разработанного высокоэффективного котла. Акт внедрения).

Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке специалистов в Северо-Кавказском государственном техническом университете по дисциплине «Использование вторичных энергоресурсов и возобновляемых источников энергии» у студентов специальности 270 109.65 — Теплогазоснабжение и вентиляция (разработаны методические указания).

Эколого-социальная и экономическая эффективность.

Эффективность работы определяется целым рядом технических, экономических и социально-экологических факторов.

Технические факторы определяются полученными характеристиками:

— температурой теплоносителя (не ниже 85 °С), позволяющей использовать тепло для систем теплохолодоснабжения объектов жилищно-коммунального хозяйства;

— тепловой мощностью скважины (до 1,2 МВт при глубине до 3000 м), достаточной для теплохолодоснабжения небольшого поселка.

Экономические факторы определяются единовременными капитальными затратами, эксплуатационными затратами и сроком окупаемости капитальных затрат:

— единовременные капитальные затраты сокращаются с 55,5 млн руб./МВт при использовании гидротермальных источников до 3,75 млн руб./МВт при использовании предлагаемого способа для законсервированных скважин, и до 45 млн руб./МВт при использовании предлагаемого способа для вновь разрабатываемых скважин, в связи с отсутствием необходимости развития инфраструктуры, потребляющей низкопотенциальное тепло при использовании гидротермальных источников;

— снижение эксплуатационных затрат должно составить до 1,76 млн руб./МВт от снижения расходов на топливопотребление электроэнергии снижается с 250 до 20 кВт/МВт по сравнению с технологией коллекторного сбора геотермальной энергии при помощи парокомпрессорных тепловых насосов;

— сроки окупаемости капитальных затрат могут составить от 1,5 лет при использовании существующих скважин, до 18 лет — при бурении новых скважин, которые являются более предпочтительными, чем при использовании гидротермальных источников. Проведенный инвестиционный анализ характеризует достаточную привлекательность для инвесторов.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

— способы извлечения и использования геотермальной энергии для систем теплохолодоснабжения;

— математическая модель извлечения геотермальной энергии глубинных земных пород;

— новая методика расчета извлечения геотермальной энергии;

— новая методика расчета использования геотермальной энергии для систем теплохолодоснабжения.

— согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии.

Работу можно охарактеризовать, как комплекс научно-обоснованных техническо-экономических и технологических решений по совершенствованию технологии извлечения и использования геотермальной энергии для систем теплохолодоснабжения, внедрение которой может внести значительный вклад в повышение энергоэффективности использования геотермальной энергии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе: 2 статьи в реферируемом научно-техническом журнале- 1 статья в центральном журнале- 2 статьи в других изданиях- 1 авторское свидетельство и патентсделано 9 докладов на международных и российских научно-технических конференциях различного уровня, по которым опубликованы материалы докладов.

Автор выражает благодарность за помощь в работе коллегам по кафедре «Теплогазоснабжение и ЭН» ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет» Гейвандову И. А. и Аборневу Д. В.

Заключение

.

На базе анализа и обобщения литературных и фондовых источников связанных с разработкой технологии извлечения и использования геотермальной энергии для нужд теплохолодоснабжения:

— дан анализ и оценка геотермического потенциала, который позволил установить перспективность использования геотермального потенциала как экологически чистого и возобновляемого источника энергии;

— выработаны методы извлечения и использования низкопотенциального тепла геотермальной скважины для систем теплохолодоснабжения. Предложенные способы могут конкурировать с известными способами использования гидротермальных энергоресурсов, т. к. не требует развития инфраструктуры, потребляющей низкопотенциальное тепло вблизи скважины, а также с технологиями геотермального теплонасосного теплоснабжения коллекторного сбора тепла, т. к. потребляется значительно меньше электроэнергии для работы;

— разработана математическая модель извлечения геотермальной энергии, в которой введены упрощающие условия, позволившие разработать методику расчета извлечения геотермальной энергии;

— разработана методика расчета извлечения геотермальной энергии, основывающаяся на методе последовательного приближения с применением конечно-разностных схем;

— разработана программа расчета извлечения геотермальной энергии «Скважина», которая включает в себя подпрограмму «Расчет нестационарной теплопроводности грунта в призабойной зоне» и является частью полной программы «Скважина»;

— рассмотрены вопросы согласование режимов извлечения и использования геотермальной энергии. Даны рекомендации по выбору схем при необходимости покрытия пиковых нагрузок. Автором разработана конструкция высокоэффективного котла. Предложены технические решения, которые позволяют: повысить КПД теплогенератора при минимальном увеличении сопротивления газового тракта, за счет применения турбулизирующих вставок, водоохлаждаемых передней и задней крышек и подогрева воздухаснизить напряжения в конструкции теплогенератора при температурных деформацияхснизить затраты на теплоизоляционные материалы;

— произведена оценка экологической, энергетической и экономической эффективности извлечения и использования геотермальной энергии. По результатам расчета на математических моделях определена возможность извлечения и использования теплоты из геотермальной скважины, глубиной до 3000 м, с мощностью до 1,2 МВт. Проведен мониторинг геотермальных скважин Ставропольского края с целью оценки возможности их использования по предлагаемой технологии. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном пособии для студентов специальности 270 109 «Теплогазо-снабжение и вентиляция», что позволит развивать и совершенствовать экологическое мышление и технологическую подготовку будущих специалистов в области теплоснабжения [34]. Дана технико-экономическая оценка эффективности внедрения предложенной технологии извлечения и использования геотермальной энергии для нужд теплохолодоснабжения из существующих скважин и вновь разрабатываемых. Эффективность способов определяется снижением себестоимости теплохолодоснабжения объектов за счет сокращения затрат на топливо. Годовой экономический эффект от сокращения затрат на топливо на одной скважине глубиной до 3 км составляет до 2116 тыс. руб. Срок окупаемости затрат может составить от 1,5 лет при использовании существующих скважин, до 18 лет — при бурении новых скважин [96].