ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

7.3 ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

7.3.1 Основные схемы и принципы преобразования глубинного тепла Земли

в электрическую энергию

Россия располагает не только большими запасами органического топлива, но также и геотермальными ресурсами, энергия которых в 10 – 12 раз превышает весь потенциал органического топлива. На рисунке 7.6 показано распределение геотермальных ресурсов на территории России.

Наряду с высокопотенциальными ресурсами Камчатки и Курильских островов, позволяющими непосредственно вырабатывать электроэнергию из геотермального пара, практически на всей территории России имеются запасы теплоэнергетических вод, которые могут быть использованы для теплоснабжения населенных пунктов, а также в промышленности и сельском хозяйстве. Особо следует выделить район Северного Кавказа (Ставропольский и Краснодарский края, Дагестан, Чечня, Адыгея, Кабардино-Балкария и Карачаево-Черкесия), чрезвычайно богатый термальными водами, температура которых достигает здесь 125-130 ^оС. Использование геотермального теплоносителя с такими параметрами возможно не только для целей теплоснабжения, но и позволяет вырабатывать эффективно электроэнергию на бинарных электростанциях (БЭС).

В зависимости от температуры геотермального теплоносителя, области использования глубинного тепла Земли могут быть самые различные. На рисунке 7.7 представлена диаграмма использования геотермальных ресурсов.

Выявленные общие закономерности распространения геотермальных вод в России и условия их залегания позволяют выделить районы практического использования в различных целях. Практика показывает, что возможны следующие основные направления использования ТЭВ:

– теплоснабжение (отопление и горячее водоснабжение) гражданских и промышленных зданий и сооружений;

– теплоснабжение сельскохозяйственных объектов (теплиц и парников как круглогодичного, так и сезонного времени действия, рыборазводные водоемы, птичьи фермы и пр.);

– удовлетворение в тепле технологических процессов промышленных предприятий (сушка древесины для мебельного производства, ферментация чайного листа и пр.);

– удовлетворение коммунально-бытовых нужд населения (бани, плавательные бассейны, прачечные и пр.);

– бальнеологические цели; производство электроэнергии.

Рисунок 7.6 – Геотермальные ресурсы России

Для первых пяти направлений использования применяются воды низко – (температура до 70 ^оС) и среднепотенциальные (температура 70 – 100 ^оС), для выработки электроэнергии – только высокопотенциальные (температура свыше 100 ^оС).

На Каясулинской площади лабораторией геотермальной энергетики института ЭНИН им. Г.М. Кржижановского проводились опытные работы по использованию тепла геотермальной воды, получаемой из скважины с глубины 4200 м температурой 165 ^оС, для выработки электроэнергии в генераторе бинарного цикла мощностью 3 МВт. Практически за время с 1989 г. работы из стадии опытных не вышли по причине очень сильного и резкого зарастания ствола скважины отложениями солей, выпадающими из воды при резком падении давления на устье скважины.

Благодаря значительному научно-техническому потенциалу энергомашиностроительной промышленности и многолетним фундаментальным исследованиям в области геотермальной энергетики, объединению усилий большого числа ученых и специалистов различных институтов и производственных предприятий в России за последние 10 лет построены новые ГеоЭС на Камчатке и Курильских островах. В последние годы в России

Рисунок 7.7 – Диаграмма использования геотермальных ресурсов

активизировались работы по созданию бинарных электростанций, позволяющих использовать для выработки электроэнергии низкопотенциальные геотермальные ресурсы или сбросное тепло и создавать локальные независимые энергетические системы электро- и теплоснабжения.

Идея использования веществ с низкими температурами кипения известна уже более 50 лет. В 1965 – 1967 г.г. на Камчатке была создана первая в мире геотермальная бинарная электростанция (БЭС) – Паратунская ГеоЭС.

АО «Наука» в кооперации с МЭИ, АО «Геотерм», РАО «ЕЭС России» и другими организациями сегодня работает над созданием новой бинарной установки для IV энергоблока Опытно-промышленной Верхне-Мутновской ГеоЭС (рисунок 7.8).

На рисунке 7.9 представлены фотографии введенной в 1998 году экологически-чистой Верхне-Мутновской ГеоЭС (3 блока по 4 МВт). Технологический процесс на этой ГеоЭС построен таким образом, что геотермальный теплоноситель добытый из-под земли для производства электроэнергии после использования полностью закачивается в пласты.

Рисунок 7.8 – Бинарная электрическая станция

Рисунок 7.9 – Верхне-Мутновская ГеоЭС

Проект Мутновской ГеоЭС мощностью 50 (2х25) МВт (рисунок 7.10) был успешно завершен в 2002 году, как международный проект, реализованный при финансовой поддержке Европейского Банка Реконструкции и Развития, предоставившего кредит 99,9 млн. USD.

Рисунок 7.10 – Мутновская геотермальная электростанция

Б) Использование петротермальной энергии

Существенным недостатком использования термальных вод в различных практических целях определяется не только их теплопроизводительностью, но также и особенностями химического состава вод (значений pH, степени минерализации, ионно-солевого и газового состава и др.). 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 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).

Наибольшую долю капитальных вложений составляет стоимость буровых работ.

Капитальные затраты могут быть сокращены за счет использования законсервированных скважин.

Использование тепла сухих горячих пород позволит снизить эксплуатационные затраты по сравнению с использованием термальных вод, т. к. при этом:

– не происходит загрязнения теплоносителя и не требуются затраты на мероприятия по охране окружающей среды от вредных выбросов;

– циркуляционный насос потребляет энергию только на преодоление гидравлических сопротивлений скважины. При глубинах до 3  5 км эти сопротивления соизмеримы с гидравлическими потерями на теплотрассах систем теплоснабжения.

Предлагаемая, экологически чистая технологическая схема извлечения глубинного тепла Земли приведена на рисунке 7.11¹.

Патент 2 288 413 РФ, С1, МПК F24J 3/08. Способ извлечения геотермального тепла / Н. И. Стоянов, А. И. Воронин, И. А. Гейвандов –2005113114/06; Заявлено 29.04.05; Опубл. 27.11.06, Бюл. 33. Патентообладатель ГОУ ВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет».

Рисунок 7.11 – Способ извлечения геотермального тепла:

1– грунты; 2 – скважина; 3 – тепловой насос; 4 – объект теплоснабжения; 5 – объект холодоснабжения

Вода обратного трубопровода с температурой (t₀) поступает в скважину по обсадной трубе диаметром (d₄ / d₃) и, получив тепло от сухого слоя породы, нагревается до температуры () и поднимается вверх по внутренней трубе диаметром (d₂ / d₁). Нагретая вода подается потребителю с температурой (t₂).

Охлажденную воду от потребителя с температурой t₂ подают по межтрубному пространству в скважину. Вода нагревается от стенок обсадной трубы, а затем нагретая до температуры t₁ – подается потребителю. Так как температура нагретой воды t₁ в зависимости от температурного градиента может быть недостаточно высокой для прямого использования в системе теплоснабжения, устанавливается тепловой насос. Применение теплового насоса позволяет увеличить теплоотдачу скважины за счет понижения температуры обратной воды t₂, закачиваемой в скважину. При этом исключается необходимость тепловой изоляции оголовка скважины (в прототипе осуществляется изоляция скважин на глубину до 300 м для предотвращения прогрева верхних слоев земной коры).

Преимущества предлагаемой схемы уже указывались, а ее недостаток – низкая интенсивность теплопередачи в связи с передачей тепла теплопроводностью в породах – может компенсироваться тем, что при использовании для нужд теплоснабжения температуры теплоносителя t₁ и t₂ могут быть снижены. Возможна открытая система теплоснабжения.

Скважина предназначается для круглогодичного использования: в холодный период – на производственные нужды и коммунально-бытовые (отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение); в теплый период – на производственные нужды, коммунально-бытовые (горячее водоснабжение) и холодоснабжение.

Т. к. контур для извлечения тепла является закрытым, то исключаются: загрязнение теплоносителя от грунтов; утечки теплоносителя в грунт. Не требуется создавать давление насосом для закачки теплоносителя в пласт; напор насоса используется только для преодоления гидравлических сопротивлений в системе, которые сравнимы с гидравлическими сопротивлениями в обычных тепловых сетях.

Применение тепловых насосов позволяют увеличить теплосъем со скважины в 1,5 – 2 раза.

1