ГЛАВА 6. ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

6.1.Источники геотермального тепла

Внастоящее время принято выделять два основных класса геотер-

мальных ресурсов: гидрогеотермальные и петрогеотермальные. Гидрогео-

термальные ресурсы представляют собой ту часть ресурсов геотермальной энергии, которая заключена в естественных коллекторах и представлена природными теплоносителями: подземными водами, паром и пароводяными смесями. Петрогеотермальные ресурсы представляют собой часть тепловой энергии, которая связана непосредственно со скелетом водовмещающих пород и с практически непроницаемыми горными породами [7].

Из всех пригодных для использования геотермальных ресурсов на природные теплоносители (термальные воды) приходится чуть более 1 % и соответственно около 99 % – на петрогеотермальные ресурсы.

Все практические достижения в геотермальной теплоэнергетике в настоящее время как в России, так и за рубежом связаны с использованием природных теплоносителей (термальных вод).

Широкое использование геотермального теплоносителя невозможно без анализа и учета его специфических особенностей:

– одноразовость использования в системе теплоснабжения;

– постоянная температура в течение отопительного сезона;

– агрессивность, в связи с чем, необходимо предусматривать защиту от коррозии и образования осадков в металлических трубопроводах и нагревательных приборах;

– сравнительно низкая температура;

– необходимость сброса.

Использования пара на геотермальных электростанциях (ГеоТЭС) в отличие от традиционного пара, применяемого на электростанциях, требует дополнительного оборудования – сепараторов для очистки от мелких частиц горных пород, а также антикоррозийной защиты трубопроводов и паропроводов.

Известно, что в среднем на каждые 30–40 м в глубь Земли температура

возрастает на 1 С. Следовательно, на глубине 3–4 км вода закипает, а на глубине 10–15 км температура Земли достигает 1000 1200 С. В некоторых частях планеты температура горячих источников достаточно высокая и в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наиболее благоприятны для сооружения геотермальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермальных станциях вырабатывается 40 % всей электроэнергии, в Италии – 6 %. Значительная доля электроэнергии приходится на такие станции и в ряде других стран [2].

К геотермальным источникам относят[7]:

– источники горячей воды с t = 150…200 º С, залегающей на глубине

143

до 2000 м;

–насыщенный пар под давлением с t = 100…340 º С;

–сухой пар под высоким давлением, выходящий с глубин 3…6 км;

–насыщенный пар с t = 150…180 º С, выходящий из глубины 2…3 км под высоким давлением;

–геотермальные горящие горные породы с t = 150…200 º С;

–вулканическая лава с t = 700…1200 º С, выходящая из глубины 3…10

км.

Запасы геотермальной энергии в мире оцениваются в 3∙1024 кВт∙ч (10,8∙1030 Дж). Допустим, что из этого количества энергии 1 % преобразован

вэлектроэнергию при η =25 % (1 кВт∙ч = 3,6∙1036 Дж). В этом случае производство электроэнергии составит 1020 Дж. Для выработки такого количества электроэнергии, скажем за 50 лет понадобилось бы построить ГеоТЭС общей установленной мощностью 60 ГВт. Это в 120 раз больше всей установленной мощности действующих ГеоТЭС в США. Однако эта мощность одного порядка с мощностью, которую можно получить при освоении всего потенциала приливной энергии.

В настоящее время геотермальная энергия используется в основном для целей теплоснабжения. Геотермальных электростанций немного. Их суммарная мощность по разным данным оценивается от 4800 до 7072 МВт.

ГеоТЭС в качестве источника энергии используют теплоту земных недр. Геотермальные электростанции, уступая ветровым в суммарной установленной мощности (42 против 52 %), существенно превосходят их по выработке электроэнергии (70 против 27 %), что свидетельствует о высокой эффективности геотермальных энергетических технологий. Выработка электричества на основе использования энергии солнца и приливов мала и в 1998 г. составляла 2 и 1 % мирового производства электроэнергии на основе возобновляемых источников энергии .

Результаты анализа технико-экономических показателей технологий производства электричества с использованием различных возобновляемых источников энергии свидетельствуют о существенных преимуществах ГеоТЭС. Так, на современных ГеоТЭС самый высокий в нетрадиционной энергетике коэффициент использования мощности достигает 90 %, что в 3– 4 раза выше, чем для технологий с использованием солнечной, ветровой и приливной энергии.

Стоимость производимой на современных ГеоТЭС электроэнергии

в10 раз ниже, чем на ветровых и солнечных электростанциях. Инвестиционная привлекательность геотермальных энергетических проектов, безусловно, определяется также приемлемым уровнем удельных капиталовложений – около 800–3000 долл. США/кВт установленной мощности.

Важнейшим экологическим преимуществом ГеоТЭС по сравнению с ТЭС является значительное снижение выбросов диоксида углерода СО2 на традиционных ГеоТЭС и полное их исключение на современных электро-

144

станциях, использующих технологию обратной закачки отработавшего геотермального теплоносителя в георезервуар. Выбросы СО2 на ГеоТЭС в несколько десятков раз ниже, чем на ТЭС, работающих на угле, мазуте иприродном газе.

Таким образом, высокая эффективность, экологичность, региональная значимость и большой суммарный потенциал геотермальных ресурсов стимулируют активное развитие геотермальной энергетики.

На территории России разведано 47 геотермальных месторождений [26]. Пробурено свыше 3 000 скважин для использования геотермальных ресурсов. Стоимость выполненных исследований в области геотермии и буровых работ составляет более 4 млрд долл. США. Например, на Камчатке в советское время на геотермальных полях было пробурено 365 скважин глубиной от 255 до 2 266 м и израсходовано около 300 млн долл. США (в современных ценах) [27].

ВРФ для ряда районов, например Камчатки и Курильских островов, сооружение геотермальных станций может оказаться экономически оправданным.

На Чукотке также имеются значительные запасы геотермального тепла на границе с Камчатской областью, а Курильские острова располагают запасами тепла Земли, которых достаточно для их тепло- и электроснабжения на 50–200 лет.

На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения (температура в резервуаре 70–180 °С), которые находятся на глубине 300–3 000 м. Они способны обеспечить получение до 10 000 тепловой и 200 МВт электрической мощности.

ВПриморье, Прибайкалье, Западно-Сибирском регионе также имеются запасы геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного использования в промышленности и сельском хозяйстве.

ВРоссии доля геотермальной электроэнергии может составить 1,0– 1,5 %, а тепловой – достигнуть 40–60 %. Такие районы, как Камчатка, Курильские острова, Северный Кавказ, Калининградская обл. могут получать значительную часть электроэнергии благодаря использованию геотермальных ресурсов.

Практически все геотермальные источники содержат примеси в виде различных химических элементов. Пароводяная смесь, поступающая от продуктивной скважины, может содержать до 90 % жидкой фазы, её энтальпия составляет от 12 000 до 2500 кДж/кг. Общее количество примесей в пароводяной смеси может достигать 2 г/л. Химическая активность подземных теплоносителей, в составе которых могут быть ртуть, мышьяк, вызывает отрицательные экологические эффекты, а также усиливает коррозию конструкционных материалов энергетического оборудования.

Наиболее эффективным мероприятием по подготовке пара перед турбиной ГеоТЭС является гравитационная сепарация. Извлечение химических

145

элементов до отбора теплоты от теплоносителя позволяет снизить экологическое влияние, уменьшить химическую коррозию и получить ценное сырье для химической промышленности. Так, в некоторых скважинах ЮжноКаспийского бассейна в 1 л воды содержится, мг: свинца – 77, цинка – 5, кадмия – 2, меди – 15.

Внастоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработки электрической энергии. Это объясняется как техническими трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой стоимостью их в расчете на единицу установленной мощности.

Геотермальные источники оказывают заметное влияние на окружающую среду при использовании в энергетических установках. В глубинных водах в значительном количестве находятся растворенные минералы (до 25% по сравнению с 3,3%, содержащимися в морской воде) и газы, такие как углекислый газ, сероводород и др. ГеоТЭС мощностью 1 МВт сливает ежедневно 570 млн л воды. При содержании в ней всего 12 % солей абсолютное количество соли составит 12 000 т. Выбросы серы в виде сероводорода у ГеоТЭС могут быть выше, чем на ТЭС, использующих серосодержащие топлива [7].

Помимо загрязнения воды и воздуха солями и газами, а также мышьяком и ртутью ГеоТЭС оказывают и другие виды отрицательного воздействия на окружающую среду. Ввиду низкого η = 8–16 % в атмосферу выбрасывается значительное количество тепла и влаги. Извлечение из недр земли больших количеств теплоносителя создает опасность опускания земли и возникновения предпосылок к землетрясениям. Одна из скважин

«Гейзер» в США позволяет получить 7 МВт мощности. Для 1000 МВт потребуется 150 скважин на площади 30 км2. Построенная в Новой Зеландии

в1969 году ГеоТЭС мощностью 250 МВт занимает площадь 65 км2.

6.2.Способы и методы использования геотермального тепла

К2005 г. суммарная установленная электрическая мощность ГеоТЭС в мире составила 8910,7 МВт, а годовая выработка электроэнергии в 2004 г. – 56 798 ГВт∙ч. За последние 30 лет ежегодный прирост мощностей был равен 7 %. (рис. 6.1) [19].

В27 странах мира геотермальное тепло используют для получения электроэнергии. Ожидалось, что суммарная установленная электрическая мощность ГеоТЭС в мире к 2010 г. может составить 20 000 МВт. В таблице 6.1 представлены данные об установленных мощностях и объеме производства электроэнергии и тепла на ГеоТЭС мира в 2004 г.

Впоследнее десятилетие активно развиваются технологии прямого использования геотермальных ресурсов в теплоснабжении. С 2000 по 2005 г. суммарная установленная тепловая мощность геотермальных систем

146

теплоснабжения возросла от 8667 до 28 000 МВт. Выработка тепла с использованием георесурсов в мире за 2004 г. составила 261 418 ТДж. Это объясняется прежде всего значительным увеличением количества тепловых насосов (особенно в США), использующих тепло грунта и геотермальных вод.

Впоследние годы все шире используют геотермальные ресурсы в тепловых насосах, теплоснабжении, тепличных хозяйствах и др.

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.

ВИсландии 87 % потребности в теплоснабжении обеспечивается именно этими ресурсами. Отопительная геотермальная система в г. Рейкьявике с производительностью 30 Гкал/ч обслуживает более 100 тыс жителей. В Турции в настоящее время суммарная тепловая мощность систем геотермального теплоснабжения составляет 1177 МВт, что позволяет обогреть более 30 % жилых помещений страны (табл.6.1).

Рис. 6.1. Рост суммарной установленной мощности Nэ и выработки электроэнергии W на ГеоЭС в мире

Ведущее место в мире по ГеоТЭС занимают США, на их долю приходится 46 % действующих мощностей 7000…8000 МВт. В США все станции используют высокотемпературные термальные воды или сухой пар, добываемые на геотермальных месторождениях, связанных с районами молодого вулканизма или термоаномалиями [2].

147

На начало 2000 г. ГеоТЭС работали в 21 стране. За последние 5 лет пробурено 1150 скважин глубиной более 1000 м.

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 [19].

Таблица 6.1 Установленные мощности и объем производства электроэнергии и

тепла на ГеоТЭС мира в 2005 г.

148

Геотермальные ресурсы России обеспечивают хорошие перспективы развития теплоснабжения. По данным О. А. Поварова [28], 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 долл. США, 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. МВт∙ч. Наиболее крупное месторождение – Мостовское с утвержденными запасами 11 тыс. м3/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.

149

К числу масштабных проектов относится разрабатываемая система геотермального теплоэлектроснабжения г. Лабинска Краснодарского края с численностью населения 70 тыс. чел. (рис. 6.2) 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 долл. США, 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.

Рис. 6.2. Принципиальная схема использования геотермальных ресурсов для тепло- и электроснабжения г. Лабинска (при температуре воздуха ниже 2,6оС)

150

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. Пет- ропавловск-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 долл..США, срок окупаемости – 5 лет.

Системы геотермального теплоснабжения существенно отличаются от традиционных. Они состоят из продуктивных и реинжекционных скважин, насосных станций и тепловых пунктов. Эти тепловые пункты 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 [19]. 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

151

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.

6.3.Геотермальные энергетические технологии

иоборудование России

За последние годы в РФ создано отечественное геотермальное машиностроение и Россия вошла в число передовых стран мира, производящих и эксплуатирующих геотермальные электростанции. Специалистами МЭИ, ЦНИИТмаш, АО «Наука» и других научноисследовательских организаций выполнены фундаментальные исследования гидродинамики многокомпонентных сред и их физико-химического взаимодействия с металлами, что позволяет решать сложные научнотехнические задачи при проектировании и разработке геотермального энергетического оборудования.

На заводах АО КТЗ, АО «ЗиО-Подольск», АО ЧЗЭМ изготовлены 12 геотермальных энергоблоков мощностью 0,5–2,5 МВт для эксплуатации на Курильских островах, Камчатке и в Никарагуа [29,30].

Впервые в России по заказу АО «Интергеотерм» и АО «Геотерм» разработано и изготовлено (АО ЧЗЭМ) специальное оборудование для обустройства геотермальных скважин для ГеоТЭС Сан-Хасинто (Никарагуа), Верхне-Мутновской и Мутновской ГеоЭС (Камчатка), включая шиберную задвижку в антикоррозионном исполнении, запорнорегулирующий сбросной быстродействующий клапан, дисковый регули-

152

рующий затвор с антикоррозионным покрытием проточной части, устьевой компенсатор и др.

ВАО «Наука» при участии специалистов НУЦ Гео-МЭИ, ВНИИАМ и других организаций созданы высокоэффективные гравитационные сепараторы, рассчитанные на расход пара до 180 т/ч, которые обеспечивают надежную и эффективную работу турбин ГеоТЭС. Эти сепараторы гарантируют степень влажности пара на входе в турбину не более 0,05 %, что позволяет существенно снизить вероятность коррозионного растрескивания металла и уменьшить интенсивность образования отложений в проточных частях турбин.

Наряду с высокой эффективностью влагоудаления отечественные сепараторы обладают другими очевидными преимуществами по сравнению с зарубежными центробежными сепараторами: компактностью и низкой металлоемкостью, нечувствительностью к исходному паросодержанию и изменению нагрузки. Применение двухступенчатой системы сепарации с промывкой пара чистым конденсатом в сепараторе второй ступени на Мутновской ГеоЭС обеспечивает максимальную очистку рабочего пара от примесей.

Кроме того, на основе сепараторов разработаны и изготовлены в АО «ЗиО» расширители, паросборники и шумоглушители, которые хорошо себя зарекомендовали при эксплуатации на Верхне-Мутновской и Мутновской ГеоТЭС мощностью 12 и 50 МВт.

В1990 г. при поддержке России по проекту государственной науч- но-технической программы России специалисты АО КТЗ, НУЦ ГеоМЭИ, ВНИИАМ начали разработку блочно-модульных ГеоТЭС, а уже в 1993 г. на о. Кунашир (Курильские острова) была пущена в эксплуатацию первая такая ГеоТЭС «Омега-500» мощностью 500 кВт, изготовленная в АО КТЗ. Здесь также выпускают турбоустановки с противодавлением мощностью 0,5 – 2,5 МВт с генераторами на 50 и 60 Гц.

В2003 г. на о. Кунашир введена в эксплуатацию первая очередь Менделеевской ГеоТЭС мощностью 1,8 МВт, а в 2005 г. – пущена ее вторая очередь. На о. Итуруп у подножия вулкана Барановского завершается строительство ГеоТЭС с турбоустановкой мощностью 1,8 МВт. Для поставки в Никарагуа были изготовлены турбоустановки мощностью 2,5 МВт на 60 Гц.

По заказу АО «Геотерм» на АО КТЗ изготовлены и после стендовых заводских испытаний в полной готовности поставлены три конденсационные турбины мощностью по 4,0 МВт для Верхне-Мутновской ГеоТЭС, которые успешно эксплуатируются с 1999 г.

153

Турбина располагается в модуле размером 10,5x3,2x2,4 м и обладает следующими конструктивными особенностями: в системе парораспределения применена поворотная заслонка типа «баттерфляй», все 10 ступеней имеют бандаж, развитую систему сепарации влаги и пусковой турбомасляный насос.

ВАО КТЗ разработаны и производятся турбоустановки средней мощности (в том числе для ГеоТЭС Сан-Хасинто), мощностью 23 МВт со смешивающими конденсаторами. Кроме того, коллектив этого завода выиграл в 2000 г. международный тендер на изготовление для Мутновской ГеоТЭС двух двухпоточных турбин мощностью по 25 МВт с рабочей лопаткой последней ступени высотой 450 мм. Развитая система внутриканальной сепарации и специальная ступень-сепаратор позволили на 1,7 % увеличить КПД турбины, что обеспечило наименьший удельный расход пара и наивысший КПД энергоблоков Мутновской ГеоТЭС по сравнению

сзарубежными аналогами.

Внастоящее время на полуострове Камчатка работает Паужетская геотермальная ТЭС мощностью 11 МВт. Структурная схема геотермальной электростанции для вулканических районов приведена на рис. 6.3 .

Рис. 6.3. Схема геотермальной электростанции для вулканических районов: 1 скважина; 2 паропреобразователь;3 турбина;4 конденсатор; 5 насос;6 водяной теплообменник

В более отдаленном будущем предполагается использование высокотемпературных слоев мантии земли (до 1000 С) для получения пара, в ко-

154

торый будет превращаться вода, закачиваемая в искусственно созданные «вулканические» жерла. Разумеется, что получаемая таким образом энергия будет «чистой» и не будет влиять на биосферу (огромная масса мантии практически исключает влияние на ее состояние отбираемой теплоты).

Использование геотермальной энергии в современных условиях в значительной степени зависит от затрат, необходимых для вывода на поверхность геотермального теплоносителя в виде пара или горячей воды. Все действующие в настоящее время геотермальные электростанции располагаются в таких районах Земли, в которых температура теплоносителя достигает 150 360 С на глубинах, не превышающих 2 5 км.

Развитие геотермальной энергетики в отдельных регионах России позволяет уже сегодня решать проблему электро- и теплоснабжения, в частности, на Камчатке, Курильских островах, а также на Северном Кавказе и в отдельных районах Сибири и Европейской части России.

По данным Института вулканологии ДВО РАН, уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электричеством и теплом более чем на 100 лет. Наряду с высокотемпературным Мутновским месторождением мощностью 300 МВт (электрических) на юге Камчатки известны значительные запасы геотермальных ресурсов на Кошелевском, Большебанном, а на севере – на Киреунском месторождениях. Всего на этих месторождениях можно получить около 2 000 МВт. Запасы тепла геотермальных вод Камчатки оцениваются в 5 000 МВт (тепловых).

На Чукотке также имеются значительные запасы геотермального тепла (на границе с Камчатской областью), часть из них уже открыта и может активно использоваться для энергообеспечения близлежащих городов и поселков.

Курильские острова тоже богаты запасами тепла земли, их вполне достаточно для тепло- и электроснабжения этой территории в течении 100–200 лет. На острове Итуруп обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого – 30 МВт (электрических) достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова в ближайшие 100 лет.

На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно-Курильска. Недра северного острова Парамушир менее изучены, однако известно, что и на этом острове есть значительные запасы геотер-

о

мальной воды температурой от 70 до 95 С. Здесь также строится ГеоТЭС мощностью 20 МВт.

Схема электростанции для районов, располагающих ресурсами термальных вод с температурой ниже 100 С на глубинах, доступных для современной буровой технике, приведена на рис. 6.4.

155

Рис. 6.4. Схема геотермальной вакуумной электростанции с одним расширителем: 1 скважина; 2 бак-аккумулятор;3 расширитель; 4 турбина;5 генератор; 6 градирня;7 насос;8 смешивающий конденсатор; 9, 10 насос

На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения

о

с температурой в резервуаре от 70 до 180 С, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения.

В условиях ожидаемого глобального потепления, вызванного воздействием промышленных выбросов в атмосферу, в первую очередь диоксида углерода (СО2), перевооружение отечественной энергетики должно базироваться на наиболее экологически чистых технологиях производства электроэнергии и тепла. Создание геотермальных систем теплоснабжения позволит сократить количество котельных, работающих на органическом топливе и снизить вредные выбросы в атмосферу.

Геотермальные электростанции – самое экологически чистое производство электроэнергии и тепла. Сегодня в России создана первая в мире экологически чистая геотермальная электрическая станция – опытнопромышленная Верхне-Мутновская ГеоТЭС, которая не имеет практически никаких выбросов в атмосферу, так как геотермальный теплоноситель, совершив работу в технологической схеме станции, полностью (вместе с газами) закачивается в землю.

Расходы на исследования и разработку (бурение) геотермальных полей составляют до 50 % всей стоимости ГеоТЭС. Так, стоимость всей опыт- но-промышленной Верхне-Мутновской ГеоТЭС (мощность 3х4 МВт) составила около 300 млн руб. Однако отсутствие транспортных расходов на топливо, возобновляемость геотермальной энергии и экологическая чистота производства электроэнергии и тепла позволяют геотермальной энергетике

156

успешно конкурировать на энергетическом рынке и в некоторых случаях производить более дешевую электроэнергию и тепло, чем на традиционных КЭС и ТЭЦ. Для удаленных районов (Камчатка, Курильские острова) ГеоТЭС имеют безусловное преимущество перед ТЭЦ и дизельными станциями, работающими на привозном топливе.

Если в качестве примера рассматривать Камчатку, где более 80 % электроэнергии производится на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2, работающих на привозном мазуте, то использование геотермальной энергии более выгодно. Даже сегодня, когда идет процесс строительства новых ГеоТЭС на Мутновском геотермальном поле, себестоимость электроэнергии на Верхне-Мутновской ГеоЭС более чем в 2 раза ниже, чем на ТЭЦ в Петропаловске-Камчатском. Стоимость 1 кВт∙ч (электроэнергии) на старой Паужетской ГеоТЭС в 2 – 3 раза ниже, чем на ТЭЦ-1 и ТЭЦ-2.

Для геотермальных вод РФ характерен невысокий энергетический потенциал. Если зарубежные ГеоТЭС используют геотермальный теплоноситель с энтальпией пара 200…650 ккал/кг, то на Паужетской ГеоТЭС на выходе из скважины оно составляет всего 170 ккал/кг.

Всвязи с этим главнейшей проблемой для создания рентрабельных ГеоТЭС является повышение термодинамической эффективногсти схемы преобразования теплоты.

Совершенно ясно, что экономика Камчатки не может успешно развиваться без снижения стоимости потребляемой электроэнергии, а это можно достичь только путем использования геотермальных ресурсов.

Вто же время почти вся Камчатка и другие регионы России располагают значительными запасами геотермальной воды с температурой более 85

оС, позволяющей получать электроэнергию на ГеоТЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до 10 МВт, что будет способствовать обеспечению удаленных поселков Камчатки, Чукотки и Сибири электричеством и теплом. Поэтому следующим этапом является создание четвертого энергоблока Верхне-Мутновской ГеоТЭС и исследования комбинированной ГеоТЭС с бинарным циклом.

Первая в мире геотермальная бинарная электростанция – Паратунская ГеоТЭС – 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 (ИВТ АН, ИТФ СОРАН, ВНИИхолодмаш, ВНИИнефтемаш) осуществляется разработка технического проекта энергоблока № 4 Верхне-Мутновской ГеоТЭС с бинарным циклом мощностью 6,5 МВт (рис. 6.5).

157

Рис. 6.5. Схема энергоблока № 4 Верхне-Мутновской ГеоТЭС

Вближайшее время планируется начать строительство Паужетской ГеоТЭС мощностью 4,0 МВт.

Всоответствии 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 бинарная ГеоТЭС мощностью 4,0 МВт. Бинарные электростанции позволяют на основе использования низкопотенциального тепла различных источников вырабатывать электроэнергию, т. е. утилизировать тепло сбросной воды ГеоТЭС, водогрейных котлов (в том числе работающих на биотопливе), некондиционных геотермальныхскважин 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.

Российская ассоциация «Геотермальное энергетическое общество» при финансовой поддержке и участии Мирового банка, Геофонда, Международной геотермальной ассоциации, Немецкой геотермальной ассоциации, Минпромнауки и Минэкономразвития России, ОАО «Геотерм», АО «Наука», администраций Краснодарского края, Камчатской области и других организаций успешно провела международные геотермальные семинары в г. Сочи (МГС-2003) и в г. Петропавловске-Камчатском (МГС-2004). В результате определены наиболее перспективные российские геотермальные энергетические проекты:

– строительство энергоблока № 4 Верхне-Мутновской ГеоТЭС (стои-

158