7.4. Российские бинарные энерготехнологии

Первая в мире геотермальная бинарная электростанция (БЭС) – Паратунская ГеоЭС – построена в России в 1967 г. на Камчатке. После этого изобретение отечественных ученых – выработка электроэнергии из горячей воды – получило широкое распространение в мире. Так, фирма ОРМАТ (Израиль) произвела и поставила в разные страны мира уже тысячи бинарных энергоблоков.

В условиях реформирования жилищно-коммунальных хозяйств и перевооружения отечественной энергетики бинарные технологии становятся важным элементом локальных автономных систем тепло- и электроснабжения. В АО «Наука» совместно с ведущими фирмами и институтами России (ИВТАН, ИТФ СОРАН, ВНИИхолодмаш, ВНИИнефтемаш) осуществляется разработка технического проекта энергоблока № 4 Верхнемутновской ГеоЭС с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Схема энергоблока № 4 Верхнемутновской ГеоЭС

В ближайшее время планируется начать строительство Паужетской ГеоЭС мощностью 4,0 МВт.

В соответствии с программой развития геотермальной энергетики Краснодарского края ведутся работы по подготовке технико-экономического обоснования проекта геотермального теплоэлектроснабжения г. Лабинска, где для выработки электроэнергии будет использована БЭС мощностью 4,0 МВт. Бинарные электростанции позволяют на основе использования низкопотенциального тепла различных источников вырабатывать электроэнергию, т.е. утилизировать тепло сбросной воды ГеоЭС, водогрейных котлов (в том числе работающих на биотопливе), некондиционных геотермальных скважин и даже новых реакторов для теплоснабжения.

Применение рабочих тел с низкой температурой кипения в циклах бинарных электростанций увеличивает эффективность использования потенциала теплоносителя и открывает широкие возможности для решения проблемы энергообеспечения удаленных регионов России.

7.4. Геотермальное теплоснабжение

В последние годы в мире отмечается значительный рост мощностей геотермального теплоснабжения. Системы геотермального централизованного теплоснабжения в основном применяются в Европе (лидеры – Франция и Испания), а также в Китае, Японии и Турции. В США преобладают системы геотермальной отопления отдельных домов.

Примером успешной реализации крупного геотер­мального теплофикационного проекта является созда­ние системы геотермального теплоснабжения столицы Исландии г. Рейкьявика, которая обеспечивает около 99 % потребностей в тепле, потребляет 2 348 л/с гео­термальной горячей воды температурой 86 – 127 °С. Эта система включает в себя деаэратор, насосную станцию, аварийные (резервные) баки, пиковую ко­тельную и разветвленную сеть раздачи тепла.

Геотермальные ресурсы России обеспечивают хорошие перспективы развития теплоснабжения. По данным доктора технических наук О. А. Поварова [6], суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения составляет 430 МВт, перспективных – 21 тыс. МВт. В отдельных регионах они могут обеспечить до 10 % суммарного энергопотребления. В настоящее время геотермальные ресурсы используются в основном в трех регионах: в Дагестане, Краснодарском крае, на Камчатке. В Дагестане для теплоснабжения используется 4,1 млн м³ геотермальной воды в год. Максимальное ее количество было добыто в 1988 г. 9,4 млн м³. В республике пробурено 123 скважины, эксплуатируется 45. Наиболее круп­ное месторождение – Кизлярское, где из 9 скважин ежегодно добывается 1,4 млн м³ геотермальной воды. Только здесь успешно осуществляется обратная закачка отработанного геотермального теплоносителя в две скважины в объеме 0,8 млн м³ в год, что составляет 57 % общего количества добытой воды. Системы теплоснабжения – двухконтурные, открытые. В первом контуре греющим теплоносителем является вода чокракского горизонта с температурой 115 °С, во втором – вода апшеронского горизонта с температурой 48 °С. При численности населения г. Кизляра 45 тыс. чел. геотермальным отоплением и горячим водоснабжением обеспечивается 70 % жителей. Разработан проект увеличения установленной мощности данной системы теплоснабжения из расчета обеспечения 100 % потребности города при обратной закачке всего отработанного теплоносителя. Стоимость реали­зации проекта – 1 млн дол., срок окупаемости 7 лет.

В Краснодарском крае добывается и используется для теплоснабжения 2,3 млн м³ геотерма­льной воды в год. Максимальное ее количество было добыто в 1986 г. – 8,6 млн м³. Всего в регионе пробурено 79 скважин, из них экс­плуатируется только 40. Установленная тепловая мощность 16 термоводозаборов составляет 238 МВт, годовая выработка тепловой энергии — 834 тыс. МВтч. Наиболее крупное месторождение – Мостовское с утвержденными запасами 11 тыс. м/сут, на котором эксплуатируется 13 скважин. Особенностью месторождения является низкая минерализация воды – 1 г/л при температуре 75 °С. В 1989 г. для отопления и горячего водоснабжения объектов поселка была построена геотермальная система теплоснабжения расчетной тепловой мощностью 5 МВт с двумя тепловыми насосами в качестве которых применялись парокомпрессионные машины А-220 московского завода «Компрессор». В результате трехлетней эксплуатации были подтверж­дены проектные характеристики этой системы, однако частые отказы тепловых насосов обусловили их демонтаж в 1992 г.

К числу масштабных проектов относится разрабатываемая система геотермального теплоэнергоснабжения г. Лабинска Краснодарского края с численностью населения 70 тыс. чел. Геотермальное месторождение вскрыто четырьмя скважинами с дебитами 2500 – 5000 м³/сут и температурой 110 – 120 °С, минерализацией 14 г/л, содержание фенолов составляет до 0,4 мг/л. Прогнозные эксплуатационные ресурсы месторождения оценены в 20 тыс. м³/сут, или 100 МВт. Расчетные тепловые нагрузки объектов города обеспечиваются 21 коммунальной и 25 производственными котельными. Большинство котельных оборудованы малоэффективными чу­гунными котлами и требуют модернизации.

На основе анализа тепловых нагрузок города и ресурсных характеристик месторождений расчетная тепловая мощность геотермальной систе­мы теплоснабжения определена в 60 МВт, установленная электрическая мощность – 4 МВт. При этом предусматривается ее поэтапная реа­лизация с первоочередным использованием трех существующих и бурением одной новой скважины. Все скважины соединяются магистральным теплопроводом, пропускная способность которо­го рассчитана на перспективное развитие до 60 МВт. Стоимость реализации данного проекта согласно разработанному бизнес-плану – 21 млн дол. срок окупаемости – 5 лет.

Включение бинарной электростанции в проект позволит значительно повысить его эффективность путем использования геотермального тепла для выработки электроэнергии в летний неотопительный сезон.

В современных условиях в системах теплоснабжения широко применяют тепловые насосы с использованием геотермальных источников энергии. В большинстве случаев это низкопотенциальные (так называемые грунтовые, или фоновые) геотермальные ресурсы, лежащие на глубине нескольких десятков или сотен метров.

Широкое распространение получили следующие способы извлечения первичного тепла:

– получение геотермальной воды из скважин;

– применение горизонтальных грунтовых теплообменников;

– устройство теплообменников типа «труба в трубе» в скважине;

– сооружение теплообменников в опорах фундаментов и других элементах конструкций зданий.

Для работы компрессоров тепловых насосов обычно применяют электропривод. Наблюдается тенденция снижения верхнего температурного уровня в системах теплоснабжения до 30 – 40 °С с устройством обогрева под полом, что позволяет уменьшить электропотребление компрессоров и повысить эффективность тепловых насосов в целом. Наибольшее развитие эти технологии получили в США, Швеции, Канаде, Германии, Швейцарии и Австрии. В последние годы использование тепловых насо­сов значительно увеличилось. Особенно ярко это выражено в США, где в 1997 г. работало около 45 000 геотермальных тепловых насосов, а в настоящее время прирост их количества составляет около 50 000 шт/год, в том числе 46 % – с использованием закрытых вертикальных теплообменников, 38-горизонтальных и 15 % – открытых систем.

Рис. 7.5. Принципиальная схема использования геотермальных ресурсов для тепло- и электроснабжения г. Лабинска (при температуре воздуха ниже 2,6 ^оС).

Ожидается дальнейший ежегодный рост на 10 % установленной мощности тепловых насосов в США (на сегодняшний день в США установлено более 500 000 тепловых насосов). В Швейцарии в среднем один тепловой насос приходится на 2 км территории. В нормах проектирования и строительства зданий в Швейцарии предусмотрено обязательное использова­ние геотермальных тепловых насосов для теплоснабжения.

Россия, как северная страна с большой территорией, в первую очередь нуждается в развитии локальных систем теплоснабжения с применением тепловых насосов. Для этих целей высокоэффективными являются тепловые насосы с использованием грунтового тепла. Эти технологии активно развиваются в мире, а в настоящее время осваиваются в Москве и других городах России. При строительстве аквадрома и других зданий в Москве предусмотрено применение тепловых насосов для систем нагрева воды и отопления. На юго-западе Москвы успешно работает система горячего водоснабжения 18-этажного жилого дома. Использование тепла грунта земли (шесть скважин-теплообменников на глубине до 30 м) в тепловых насосах вместе с утилизацией тепла вентиляционных выбросов позволяет обеспечить более дешевое, бесперебойное, круглогодичное горячее водоснабжение дома.

На Камчатке все теплоснабжение основано на сжигании привозного мазута из США и угля с Сахалина. Вместе с тем здесь имеются самые большие в стране геотермальные месторождения, тепловая мощность которых оценивается в 5 тыс. МВт, для теплоснабжения используется около 1 % этой тепловой мощности.

Наиболее перспективна разработка Верхне-Паратунского месторождения с температурой воды 85 °С и эксплуатационными запасами 23,3 тыс. м³/сут. Под руководством О.А. Поварова разработана геотермальная система теплоснабжения г. Елизово (пригород г. Петропавловск-Камчатского) расчетной тепловой мощностью 150 МВт. После транспортировки геотермальной воды с расходом 300 л/с от Верхне-Паратунского месторождения по теплопроводу длиной 30 км до г. Елизово ее температура снижается до 75 °С. Для полного использования теплового потенциала геотермального теплоносителя предусмотрена установка тепловых насосов общей расчетной тепловой мощностью 85 МВт. После охлаждения до 10 – 20 °С геотермальная вода сливается в водоем. Расчетный температурный график системы теплоснабжения – 95/60 °С. Установленная электрическая мощность тепловых насосов – 31 МВт, для их привода предполагается использовать электроэнергию от строящейся второй очереди Мутновской геотермальной электростанции мощностью 100 МВт. Реализация проекта позволит закрыть 25 мазутных и угольных котельных. Стоимость осуществления проекта – 50 млн дол., срок окупаемости – 5 лет.

Системы геотермального теплоснабжения существенно отличаются от традиционных. Они состоят из продуктивных и реинжекционных скважин, насосных станций и тепловых пунктов (ТП). Эти ТП имеют специфические тепловые и гидравлические характеристики. К их оборудованию, схемам, режимам эксплуатации предъявляются дополнительные требования.

В России проектирование геотермальных систем теплоснабжения выполняется в соответствии с нормами. Они содержат следующие основные разделы: теплотехнические и экономические принципы использования, схемы и обо­рудование, тепловой расчет систем отопления и охлаждения, регулирование отопления. За основные теплотехнические показатели совершенства геотермальной системы теплоснабжения приняты минимальный расход геотермальной воды и максимальное значение коэффициента эффективности, определяемого по формуле нагрева в годовом тепловом балансе системы геотермального отопления.

Экономические принципы, регламентированные нормами, требуют пересмотра в условиях рыночной экономики. Разделы, касающиеся оборудования, систем отопления и регулирования, основаны на устаревших подходах и технических решениях. Термины и определения не соответствуют общепризнанной международной терминологии. Для развития геотермального теплоснабжения принципиальное значение имело создание в 2003 г. российского Геотермального общества во главе с О. А. Поваровым. Международные семинары в г.Сочи (октябрь 2003 г.), Петропавловске-Камчатском (август 2004 г.), в работе которых приняли участие 180 специалистов из 17 стран, позволили определить приоритеты разви­тия геотермии в России. В заключение можно сделать некоторые выводы:

1. В России имеются значительные ресурсы для развития систем геотермального теплоснабжения и определенный опыт их сооружения и эксплуатации.

2. Для масштабного внедрения геотермального теплоснабжения необходимо использовать мировой опыт, и в первую очередь – реинжекцию на термоводозаборах и тепловые насосы для глубокого охлаждения теплоносителя.

3. Российские нормы проектирования геотермального теплоснабжения целесообразно доработать с учетом проверенных мировой практикой технических решений и оборудования.