5.3. Энергия Земли и геотермальные электростанции

Энергетика земли – геотермальная энергетика – базируется на использова­нии природной теплоты Земли.

Верхняя часть земной ко­ры имеет термический градиент, равный 20–30 °С в рас­чете на 1 км глубины. Ко­личество теплоты, содержащейся в земной коре до глу­бины 10 км (без учета температуры поверхности), равно приблизительно 12,6^.10²⁶ Дж. Эти ресурсы эквивалент­ны теплосодержанию 4,6·10¹⁶ тонн угля (принимая среднюю теплоту сгорания угля равной 27,6^.10⁹ Дж/т), что бо­лее чем в 70 тыс. раз превышает теплосодержание всех технически и экономически извлекаемых мировых ресур­сов угля. Однако геотермальная теплота в верхней части земной коры слишком рассеяна, что­бы на ее базе решать мировые энергетические проблемы. Ресурсы, пригодные для промышленного использования, представляют собой отдельные месторождения геотермальной энергии, сконцентрированной на доступной для разработки глубине, имеющие определенные объемы и температуру, достаточные для использования их в целях производства электрической энергии или теплоты. Эти запасы геотермальной энергии по оценкам ученых составляют около 200 ГВт·ч, причем они распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.

С геологической точки зрения геотермальные энерго­ресурсы могут быть трех типов:

1) гидротермальные конвективные системы;

2) горячие сухие системы вулканического происхождения;

3) системы с высоким тепловым потоком.

К гидротермальным конвективным системам относят подземные бассейны пара или горячей воды, ко­торые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые и грязевые озера. Образование та­ких систем связано с наличием источника теплоты – го­рячей или расплавленной скальной породой, располо­женной относительно близко к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении го­рячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепарато­ра, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извле­чением из нее минералов.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко– или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двух­контурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовав­шийся в результате кипения этой жидкости, использует­ся для привода турбины. Отработавший пар конденси­руется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл.

К горячим системам вулканического происхождения относятся маг­ма и непроницаемые горячие сухие породы. Использование этих энергетических ресурсов предусматри­вает устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону трещино­ватой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагрева­ется, извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотрен­ных ранее способов. Проще говоря, геотермальные электростанции такого типа работают по следующей схеме: вода закачивается в глубокую скважину, проникает в трещины горячего гранита, нагревается и по другой скважине поднимается на поверхность земли. После этого горячая вода попадает в теплообменник, и полученная от нее энергия расходуется для получения горячей воды или пара для турбин.

К системам с высоким тепловым потоком относят зоны с высокими значениями теплово­го потока, располагаемого в глубокозалегающем осадочном бассейне. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из сква­жин, может достигать 100 °С.

Геотермальная энергия может быть использована главным образом для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятий. Для какой из этих целей она будет использоваться, зависит от формы, в которой она поступает в наше распоряжение.

Иногда вода вырывается из–под земли в виде чистого «сухого пара», т.е. пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии.

В других местах, где имеется смесь воды с паром (влажный пар), этот пар отделяют от воды и затем используют для вращения турбин.

Наконец, в большинстве месторождений есть только горячая вода, и электрическую энергию здесь можно вырабатывать, пользуясь этой водой для перевода изобутана в парообразное состояние, с тем, чтобы этот изобутановый «пар» вращал турбины. Такой процесс, как уже отмечалось, относят к двух­контурному (бинарному) циклу. Горячей водой, естественно, можно также непосредственно обогревать жилища, общественные здания и предприятия (централизованное теплоснабжение).

Промышленное освоение геотермальных ресурсов началось после создания и пуска в Италии в 1916 году геотермальной электростанции (ГеоЭС) мощностью 7,5 МВт с тремя турбинами фирмы «Франко Този» мощностью по 2,5 МВт каждая. Однако широкое промышленное строительство ГеоЭС было развернуто только в 1960–х годах в США, Новой Зеландии, Японии, Исландии и некоторых других странах. К настоящему времени ГеоЭС используются в 58 странах.

Суммарная установленная мощность действующих на конец 2000 года ГеоЭС всех стран мира оценивается в 7,5 млн. кВт. Наибольший прогресс в этой области достигнут в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, причем только на создание новых технологий за последние 20 лет затрачено около 2 млрд. долл. США.

Использование низкотемпературной геотермальной энергии в мировой практике показывает, что большая ее часть (73 %) идет на обогрев помещений, купален, рыбоводства и теплиц. Значительно возросла доля геотермального теплообеспечения сельского хозяйства. Мировое энергопроизводство для этой цели составляет 310 тыс. т условного топлива (7 % от мирового энергопользования в этой области).

Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от очень дешевых до роскошных индивидуальных или многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т.п. Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения. При этом температура земных пород должна составлять 5–14 °С.

Эти технологии использования низкотемпературной геотермальной энергии малых глубин можно рассматривать как некоторый технико–экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50–80 тысяч новых систем. Успешно внедряется эта технология в Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии, США. К концу 2000 года в мире действовало около 500 тыс. таких систем со средней мощностью 10 кВт и общей мощностью не менее 2,2 ГВт.

Капитальные затраты на строительство такой установки могут оказаться на 50–100 % выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. Однако эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии на 60 % ниже чем от традиционных источников обогрева на электричестве. Срок окупаемости снижается в условиях резко континентального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом – для охлаждения зданий. В США считают приемлемым достижения окупаемости в течение 4–8 лет.

По прогнозам Мировой энергетической комиссии к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов (ГТН) в теплоснабжении составит 75 %. ГТН позволяют получить на 1 кВт затраченной мощности 3–7 кВт тепловой мощности или 15–25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. В жилищно–коммунальном секторе с помощью ГТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. В качестве источника низкопотенциального тепла для ГТН чаще всего выступают водопроводная вода, грунт, морская и речная вода, канализационные стоки и т.п. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты водооборотных систем, стоков с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения.

В формировании энергетики России сектор теплоснабжения занимает важнейшее место, который является самым большим по объему потребляемых энергоресурсов (более 45 % их общего потребления), причем электростанциями отпускаются более 34 % всего тепла, котельными – примерно 50 %. В соответствии с энергетической стратегией России до 2020 года планируется рост теплопотребления в стране не менее чем 1,3 раза. Повышение цен, которое произошло в последние годы, на органическое топливо (газ, мазут, дизельное топливо) и на его транспортировку в отдельные районы России привело к объективному росту отпускных цен на электрическую и тепловую энергию.

Это принципиально изменяют отношения к использованию возобновляемых источников энергии и, в частности, геотермальной. Так, развитие геотермальной энергетики в отдельных регионах страны 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. В числе основных направлений совершенствования и развития систем теплоснабжения должно стать расширение использования местных и нетрадиционных возобновляемых источников энергии и, в первую очередь, геотермального тепла земли.

Уже в ближайшие 7 – 10 лет с помощью современных технологий локального теплоснабжения, включая технологии приповерхностных геотермальных систем, можно сэкономить значительные ресурсы органического топлива. И на это есть все основания.

Россия располагает значительными запасами тепла земли, которые могут быть приумножены за счет геотермальных источников, находящихся на глубине от 300 до 2500 метров в основном в зонах разломов земной коры. Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Более того, практически везде имеются запасы тепла с температурой от 30 до 220 ºС. Однако, необходимо заметить, что применение геотермальной энергии не может однозначно рассматриваться как экологически чистое потому, что, например, пар, выходящий из недр земли, часто сопровождается газообразными выбросами, включающими сероводород и радон, которые считаются опасными.

Рассмотрим конкретные области применения геотермального тепла в России.

В 1965–1967 годах на Камчатке были построены две ГеоЭС: Паужетская, которая до сих пор работает и производит самую дешевую электроэнергию, и Паратунская – первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом, являющаяся прототипом около 400 ГеоЭС, построенных в других странах. Однако после этого ГеоЭС не строились, так как цены на органическое топливо и его доставку были низкими, и строительство ГеоЭС считалось нерентабельным, а экологические проблемы в то время не были так актуальны.

В связи с изменением цен на топливо и транспорт, а также переделом форм собственности, в России в 90–е годы было создано несколько акционерных обществ: АО «Энергия», АО «Интергеотерм», АО «Наука» и другие, которые при поддержке Миннауки России, Минэнерго России, РАО «ЕЭС России» и РАН организовали производство отечественного оборудования для ГеоЭС и геотермальных тепловых станций (ГеоТС). Сегодня в России ГеоЭС и ГеоТС работают и строятся на Камчатке и на Курильских островах.

Верхне–Мутновская ГеоЭС (ВМГеоЭС) полностью создана Российскими учеными, специалистами и производителями оборудования (АО «КТЗ», АО «ЗиО» и другие) в короткие сроки, так как при этом был использован богатый опыт отечественного энергомашиностроения, в том числе атомной и оборонной промышленности. Одновременно с созданием ВМГеоЭС ОАО «Камчатскэнерго» построило ВЛ от Мутновского геотермального поля до города Елизово (77 км), которые успешно эксплуатируются уже 3 год, и мощную электроподстанцию в городе Елизово, способную принимать до 200 МВт.

Опыт эксплуатации Верхне–Мутновской ГеоЭС подтвердил правильность принятых научно–технических решений. Зимой 2001 года два энергоблока надежно работали и постоянно выдавали в электросеть мощность более 100% номинальной, а сейчас успешно работают все три энергоблока. Опытно–промышленная Верхне–Мутновская геотермальная электростанция – это самостоятельное ОАО, которое предназначено, прежде всего, для отработки нового оборудования, внедрения технологий в области геотермальной энергетики, исследования геотермального резервуара и производства электроэнергии.

Камчатка и ряд других регионов России располагают значительными запасами геотермальной воды с температурой более 85 ˚С, позволяющей получать электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Использование блочных ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до 10 МВт будет способствовать обеспечению удаленных поселков Камчатки, Чукотки и Сибири электричеством и теплом. Поэтому следующим этапом является создание четвертого энергоблока ВМГеоЭС и исследования комбинированной ГеоЭС с бинарным циклом. Сегодня потенциал Мутновского геотермального поля оценивается в 300 МВт.

Из всего вышесказанного можно сделать следующие выводы:

1. На значительной территории России имеются уникальные запасы геотермального тепла с температурами теплоносителя (вода, двухфазный поток и пар) от 30 до 220 ˚С.

2. Геотермальная энергетика может и должна занять важное место в общем балансе использования энергии. В частности, для реструктуризации энергетики Камчатской области, Курильских островов и частично Приморья, Сибири и Северного Кавказа следует использовать собственные геотермальные ресурсы.

3. В последние годы в России на основе крупных фундаментальных исследований были созданы геотермальные технологии и геотермальная промышленность, позволяющие в короткие сроки построить серию геотермальных электрических и тепловых станций блочного типа.

4. Широкомасштабное внедрение новых схем теплоснабжения с тепловыми насосами с использованием низкопотенциальных источников тепла позволит снизить расход органического топлива на 20…25 %.