Нетрадиционные возобнов. источники энергии

3.ГЕОТЕРМАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

3.1.Способы преобразования геотермальной энергии в

электрическую

Определение геотермальной энергии заложено в самом еѐ на-

звании – это энергия тепла земных недр. Слой магмы, располо-

женный под земной корой, представляет собой огненно-жидкий, чаще всего силикатный расплав. Тепло возникает там, прежде всего, за счет распада природных радиоактивных элементов, таких как уран и калий. Согласно подсчетам, энергетический потенциал тепла на глубине 10 тыс. м в 50 тыс. раз превышает энергию мировых запасов природного газа и нефти.

Выходящая на поверхность земли магма называется лавой. Наибольшая «пропускная способность» Земли в извержении лавы наблюдается на границах тектонических плит и там, где земная кора достаточно тонка. Когда лава входит в соприкосновение с водными ресурсами планеты, начинается резкий нагрев воды, что в результате приводит к гейзерным извержениям, формированию горячих озѐр и подводных течений. Словом, возникают природные явления, свойства которых можно использовать в качестве практически неиссякаемого источника энергии.

Источники геотермальной энергии практически неисчерпаемы. Правда, распространены они не повсеместно, хотя и обнаружены в более чем 60 странах мира. Наибольшее количество действующих наземных вулканов расположено в зоне Тихоокеанского вулканического огненного кольца (328 из 540 известных).

Геотермический градиент в скважине, с помощью которой добираются до подземной энергии, повышается на 1 °С каждые 36 м. Получаемое таким образом тепло поступает на поверхность в виде горячего пара или воды, которые можно использовать напрямую для обогрева зданий или косвенно, для производства электроэнергии.

На практике геотермальные источники в различных регионах планеты значительно отличаются друг от друга, из-за чего их приходится классифицировать по десяткам различных характеристик, таким как средняя температура, минерализация, газовый состав, кислотность и пр. В плоскости практического применения для выработки электрической энергии основной классификацией геотермальных источников можно считать деление на три основных типа:

30

прямой – используется сухой пар; непрямой – используется водяной пар; смешанный (бинарный цикл) [6].

В простейших геотермальных электростанциях прямого типа (рис. 9) для производства электроэнергии используют пар, который поступает из скважины непосредственно в турбину генератора. Самая первая геотермальная электростанция в мире работала именно по такому принципу. Эксплуатация этой станции началась в итальянском городке Лардерелло (недалеко от Флоренции) ещѐ в 1911 г. Семью годами ранее, 4 июля 1904 г. с помощью геотермального пара здесь был приведен в действие генератор, который смог зажечь четыре электрические лампочки, после чего и было принято решение о строительстве электростанции. Что примечательно, станция в Лардерелло функционирует и по сей день.

Рис. 9. Геотермальная электростанция прямого типа

Крупнейшая из ныне действующих геотермальных электростанций в мире расположена в районе «Гейзерс» в Северной Калифорнии (США), и она также использует сухой пар.

«The Geysers» – самое крупное геотермальное месторождение, расположено в 116 км к северу от Сан-Франциско, Калифорния. Несмотря на то, что пиковая мощность 2000 МВт с середины 1980-х гг.

31

снизилась на сегодня до 1517 МВт, этот проект продолжает оставаться самой крупной геотермальной электростанцией. На месторождении установлены и работают 18 геотермальных электростанций. Пятнадцать из них принадлежат компании Calpine Corporation – самой крупной энергетической компании в США по использованию геотермальной энергии.

Общая площадь территории, на которой расположены геотермальные источники, составляет 78 км2. Энергия от этих источников позволяет обеспечить 60 % потребности в электроэнергии северного побережья Калифорнии (приложение В, рис. В 1).

Геотермальные электростанции с непрямым типом производства электроэнергии (рис. 10) сегодня наиболее распространены. Для их работы используются парогидротермы (пароводяная смесь), которые закачиваются при высоком давлении в испаритель для снижения давления, установленный на поверхности. При снижении давления образуется пар, который приводит во вращение турбину.

Рис. 10. Геотермальная электростанция с непрямым типом производства электроэнергии

В геотермальных электростанциях смешанного типа (рис. 11) кроме подземной воды используется дополнительная жидкость (или газ), чья точка кипения ниже, чем у воды. Они пропускаются через теплообменник, где геотермальная вода выпаривает вторую

32

жидкость, а получаемые пары приводят в действие турбины. Такая замкнутая система экологически чиста, поскольку вредные выбросы в атмосферу практически отсутствуют.

Рис. 11. Геотермальная электростанция смешанного типа (с бинарным циклом)

Кроме того, бинарные станции функционируют при довольно низких температурах источников, по сравнению с другими типами геотермальных станций (100…190 °С). Такая особенность в будущем может сделать этот тип геотермальных электростанций самым популярным, поскольку в большей части геотермальных источников вода имеет температуру ниже 190 °С.

На сегодняшний день мировыми лидерами в геотермальной электроэнергетике являются США, Филиппины, Мексика, Индонезия, Италия, Япония, Новая Зеландия и Исландия. Особенно ярким примером использования геотермальной энергии служит последнее государство.

Остров Исландия появился на поверхности океана в результате вулканических извержений 17 млн. лет назад, и теперь его жители пользуются своим привилегированным положением – примерно 90 % исландских домов обогревается подземной энергией.

Электроэнергию, здесь вырабатывают 5 ГеоТЭС общей мощностью 420 МВт, использующих горячий пар с глубины 600…1000 м.

33

Таким образом, с помощью геотермальных источников производится 26,5 % всей электроэнергии Исландии.

3.2. Виды геотермальных электростанций

3.2.1. Одноконтурные ГеоТЭС (ГеоТЭС на парогидротермах)

Месторождения парогидротерм в России имеются только на Камчатке и в Сахалинской области (Центральные Курилы). Запасы этих высокопотенциальных источников, доступные для экономически целесообразного использования, оцениваются в 1000 МВт. Даже полное освоение этих ресурсов сегодня даст “добавку” не более 0,5 % к установленной мощности традиционных станций страны [тепловых электрических станций (ТЭС), ГЭС, атомных электростанций (АЭС)] и с этой точки зрения роль ГеоТЭС в общем энергобалансе незначительна. Важен другой аспект: запасы парогидротерм позволяют на 100 % удовлетворить энергопотребность Камчатки и указанных районов Сахалинской области – этих изолированных от энергосистем регионов, энергетика которых (ТЭС и ДЭС) работает на топливе, завозимом в короткий период навигации.

В настоящее время при научном руководстве научно-иссле- довательского Энергетического института им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН) в России строятся две коммерческие станции: Мутновская ГеоТЭС на Камчатке суммарной мощностью 1-й и 2-й очередей 200 МВт и Океанская ГеоТЭС в Сахалинской области суммарной мощностью 1-й и 2-й очередей 30 МВт.

Мутновская геотермальная электростанция расположена в

140 км от г. Петропавловск-Камчатский у подножия действующего вулкана Мутновский. До начала строительства Мутновской ГеоТЭС, там же ранее была введена в эксплуатацию Верхне-Мут- новская станция мощностью 12 МВт. Кроме того, в 1967 г. на юге Камчатской области была построена Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт, которая продолжает работать и в настоящее время.

Первая очередь Мутновской электростанции (приложение В, рис. В 2) была введена в эксплуатацию весной 2003 г. К 2007 г. установленная мощность полностью автоматизированной электростанции составила 50 МВт, выработка в том же году была зафиксирована на отметке 360,687 млн·кВт/ч, а планируемая мощность электростанции составляет 80 МВт.

34

Геотермальные станции в вулканических районах базируются на месторождениях пароводяной смеси, добываемой из природных подземных трещинных коллекторов с глубины 0,5…3 км. В среднем одна эксплуатационная скважина обеспечивает электрическую мощность 3…5 МВт, средняя стоимость бурения составляет 900 долл. за м. Кроме эксплуатационных скважин, по которым добывается геотермальный теплоноситель, на геотермальных месторождениях бурятся скважины для обратной закачки отработанной воды в пласт по требованиям охраны окружающей среды и поддержания пластового давления. Обычно глубина и количество таких скважин примерно те же или несколько меньше, чем для эксплуатационных скважин.

Теплоноситель из скважины несет в себе большое количество солей и вредных газов (в том числе, сероводород H2S), присутствие которых в паровом контуре недопустимо. Поэтому необходима сепарация пара. На зарубежных ГеоТЭС применяются в основном центробежные сепараторы типа циклонных аппаратов, которые обеспечивают остаточную влажность пара на уровне 0,5 %. В России разработан гравитационный сепаратор, на выходе из которого влажность пара составляет 0,01...0,05 %.

В одноконтурной установке, работающей, например, на первой очереди Паужетской ГеоТЭС, паровая фракция выделяется из геотермальной пароводяной смеси в сепараторе и поступает на конденсационную турбину, работающую на насыщенном паре (рис. 12).

Рис. 12. Тепловая схема одноконтурной ГеоТЭС:

1 – эксплуатационная скважина; 2 – обратная скважина; 3, 6, 10 – насосы; 4 – сетевой подогреватель; 5 – сепаратор; 7 – паровая турбина; 8 – электрогенератор;

9 – конденсатор

35

Горячая геотермальная вода направляется из сепаратора пара 5 в сетевой подогреватель 4, где ее теплота используется для теплофикации, и затем закачивается насосом 3 обратно в пласт по требованиям охраны окружающей среды и поддержания пластового давления. Обычно глубина таких обратных скважин 2 примерно такая же, как и у эксплуатационных скважин. Затраты на буровые работы – одна из основных статей расходов на геотермальную энергетику. Соли геотермальных вод весьма активны в коррозионном отношении, поэтому трубы должны иметь надежную защиту в виде плакирующих и полимерных покрытий.

Пар из сепаратора 5 поступает в турбину 7, приводящую в движение электрогенератор 8. Отработавший в турбине пар направляется в конденсатор 9, в который циркуляционным насосом 10 закачивается холодная вода из окружающей среды. Конденсат сливается в местные водоемы.

3.2.2. Двухконтурные ГеоТЭС

Виды двухконтурных ГеоТЭС:

–на водяном паре;

–на низкокипящих рабочих телах.

Двухконтурные ГеоТЭС на водяном паре

В состав двухконтурной ГеоТЭС (рис. 13) входит парогенератор 4, в котором тепловая энергия геотермальной пароводяной смеси используется для нагревания и испарения питательной воды традиционной влажнопаровой паротурбинной установки 6 с электрогенератором 5. Отработавшая в парогенераторе геотермальная вода закачивается насосом 3 в обратную скважину 2. Химочистка питательной воды турбоустановки ведется обычными методами. Питательный насос 8 возвращает конденсат из конденсатора 7 в парогенератор. В двухконтурной установке неконденсирующиеся газы в паровом контуре отсутствуют, поэтому в конденсаторе обеспечивается более глубокий вакуум и остающаяся теплота геотермальных вод может, как и в случае одноконтурной ГеоТЭС, использоваться для нужд теплоснабжения.

36

Рис. 13. Тепловая схема двухконтурной ГеоТЭС:

1 – эксплуатационная скважина; 2 – обратная скважина; 3, 8 – насосы; 4 – парогенератор; 5 – электрогенератор; 6 – паровая турбина; 7 – конденсатор

Следует отметить, что геотермальные электростанции с высокопотенциальным теплоносителем могут сооружаться только вблизи соответствующих месторождений геотермальных вод. Таких месторождений не много, соответственно и электростанции рассмотренного типа – объекты достаточно уникальные. Гораздо большей доступностью и распространенностью обладают геотермальные воды с более низкими внутрипластовыми температурами.

Технологии получения электроэнергии из низкопотенциальной тепловой энергии геотермальных вод основаны на двух принципах энергопреобразования: использования веществ с низкими температурами кипения и гидропаровых турбин типа Сегнерова колеса.

Двухконтурные ГеоТЭС на низкокипящих рабочих телах

Идея производства электроэнергии в турбогенераторах с помощью веществ с низкими температурами кипения принадлежит советским ученым, которые в 1965–1967 гг. создали первую в мире геотермальную бинарную электростанцию на Камчатке – Паратунскую ГеоТЭС. Хладон R-12, превращенный в пар теплом горячей воды, направлялся в турбогенератор, вырабатывающий электрическую энергию. К сожалению, эти работы не получили развития из-за былой дешевизны органического топлива.

Повторно к вопросу использования двухконтурных энергоустановок Министерство энергетики обратилось в 1989 г. для опытной Ставропольской ГеоТЭС на Северном Кавказе на базе термальной воды с температурой 165 °C, добываемой с глубины 4,2 км.

37

В головной организации проекта ЭНИН им. Кржижановского разработаны концепция и технологическая схема геотермальной энергоустановки (рис. 14), обеспечивающей добычу термальной воды, эффективное преобразование ее тепла в электроэнергию по двухконтурной тепловой схеме, закачку отработанной воды и продуктов промывки теплообменного оборудования в пласт.

Рис. 14. Принципиальная схема двухконтурной ГеоТЭС на хладоне R142в 1 – скважина; 2 – подогреватель; 3 – испаритель; 4 – турбина; 5 – генератор; 6 – воздухоохлаждаемый конденсатор; 7 – конденсатно-питательный насос;

8 – нагнетательный насос

Геотермальная вода из скважины 1 поступает в испаритель 3, где происходит парообразование питательной воды. Образовавшийся пар поступает в паровую турбину 4, которая приводит во вращение электрический генератор 5. Отработавший пар поступает в воздухоохлаждаемый конденсатор 6, где происходит конденсация пара. Получившийся конденсат при помощи конденсатнопитательного насоса 7 поступает в подогреватель 2, где происходит нагрев конденсата за счет температуры геотермальной воды, и далее конденсат поступает в испаритель 3. Остывшая геотермальная вода при помощи нагнетательного насоса 8 закачивается обратно в скважину.

В АО “Кировский завод” разработан проект и техническая документация для изготовления двухконтурного энергетического

38

модуля мощностью 1,5 МВт на фреоне R-142в (резервный теплоноситель – изобутан). Энергомодуль будет полностью изготавливаться в заводских условиях, доставляться железнодорожным и автотранспортом на месторождение в собранном виде и потребует лишь минимальных строительно-монтажных работ для подключения к местной энергосистеме или к автономному потребителю.

Стоимость изготовления и испытаний опытного образца энергомодуля оценивается в 2 млн. долл., сейчас ведется поиск источников финансирования. Ожидается, что заводская стоимость энергомодулей при серийном изготовлении будет снижена примерно до 800 долл. за кВт.

3.2.3. Гидропаровые турбинные установки

Гидропаровые турбины (ГПТ) используют прямую подачу горячей воды в сопла турбины без предварительного разделения ее на пар и воду в сепараторах. Гидропаровая турбина работает на потоке, вскипающем в процессе адиабатического расширения. Основная работа в процессе преобразования тепловой энергии геотермальных вод в кинетическую энергию рабочего потока и механическую турбины осуществляется жидкой фазой, что принципиально отличает гидропаровую турбину от паровой. В ГПТ используются сопла Лаваля с парогенерирующими решетками, создающими мелкодисперсный пароводяной поток на лопатках турбины.

Подобные энергоустановки обладают коэффициентом полезного действия до 25...30 % при частотах вращения выходного вала до нескольких тыс. об ⁄ мин. В Санкт-Петербургском техническом университете предложена простая и универсальная модель реактивной турбины в виде Сегнерова колеса (рис. 15).

Рис. 15. Модель реактивной турбины в виде Сегнерова колеса

39