Лекция по «Нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии»

Новейшие энергетические технологии с использованием геотермальных ресурсов отличаются от других технологий экологической чистотой и по эффективности приближаются к традиционным. На

Таблица 1.10

Области использования  геотермального тепла

современных ГеоЭС коэффициент  использования мощности достигает до 90 %, что в 3—4 раза выше, чем для технологий с использованием других ВИЭ (солнечной, ветровой, приливной). На ГеоЭС, использующих ГЦС-технологию и бинарный цикл (БЭС), полностью исключаются выбросы диоксида углерода в атмосферу, что является важнейшим экологическим преимуществом таких энергетических установок.

К началу 2005 г. ГеоЭС работают в 24 странах мира, а суммарная установленная мощность их достигла 8910,7 МВт. Лидерами по установленной электрической мощности ГеоЭС являются США — 2544 МВт, Филиппины — 1931 МВт, Мексика — 953 МВт, Индонезия — 797 МВт, Италия — 790 МВт, Япония — 535 МВт, Новая Зеландия — 435 МВт, Исландия — 202 МВт. За последние 30 лет ежегодный прирост мощностей составлял 7 %. Годовая выработка электроэнергии на ГеоЭС мира в 2004 г. составила 56 798 ГВт·ч.

Быстрыми  темпами развиваются технологии прямого использования геотермальных ресурсов в теплоснабжении. За последние 15 лет суммарная тепловая мощность геотермальных систем теплоснабжения увеличилась более трех раз и достигла 28 000 МВт. Мировыми лидерами по установленной тепловой мощности геотермальных систем являются США — 7817 МВт, Швеция — 3840 МВт, Китай — 3687 МВт, Исландия — 1791 МВт, Турция — 1177 МВт. В отличие от ресурсной базы для сооружения ГеоЭС, где температура геотермального теплоносителя должна быть достаточно высокой, запасы средне- и низкотемпературного тепла, пригодного для теплоснабжения, чрезвычайно велики и в мире находятся практически повсеместно. Поэтому в последние годы часто применяют геотермальные системы теплоснабжения на основе тепловых насосов. В таких системах в качестве первичного источника тепла используется низкопотенциальная (температурой до 55°С) термальная вода и петротермальная энергия верхних слоев земной коры. При использовании тепла грунта применяются грунтовые теплообменники, размещаемые либо в вертикальных скважинах глубиной до 300 м, либо на некоторой глубине горизонтально. Примерно 57% общей мощности геотермальных тепловых систем в мире приходится на теплонасосные системы. Общая установленная мощность теплонасосных систем составляет 15 723 МВт, при годовой выработке тепла 86 673 ТДж. В 2005 г. геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения используются в 32 странах мира со средним коэффициентом преобразования равным 3,5. Наибольшее развитие эти технологии получили в США, Германии, Канаде. В США 69 % общего прямого использования геотермальных ресурсов реализуется на основе применения тепловых насосов. В 2004 г. было установлено примерно 60 тыс. тепловых насосов. В Германии общая тепловая мощность геотермальных систем составляет 505 МВт, из которых 400МВтреализуется на основе применения тепловых насосов, использующих тепло грунта.

Благодаря переводу экономики  на геотермальные ресурсы Исландия превратилась в развитую страну с высоким уровнем жизни. Более 87 % теплоснабжения в Исландии осуществляется на геотермальном тепле, а в ближайшей перспективе такое теплоснабжение планируется довести до 92 %. Примером успешной реализации крупного проекта является создание системы геотермального теплоснабжения г. Рейкьявика, которая обеспечивает около 99 % потребностей в тепле. Данная система потребляет 2348 л/с геотермальной горячей воды температурой 86—127°С (рис. 1.3).

Наибольшее количество прямого использования геотермальной  энергии в последние годы приходится на Китай, Исландию, США и Турцию, общий объем которой составляет более 54 % мирового. В Турции потребление геотермального тепла с 1994 по 1999 г. возросло более 3раз, а до 2010г. предполагается довести суммарные тепловые мощности на геотермальных ресурсах до 5000 МВт, что позволит обогреть более 30% жилых помещений страны. Существенный прирост применения низкопотенциальной геотермальной энергии, в результате внедрения геотермальных тепловых насосов, достигнут в Австрии, Канаде, Швейцарии и Швеции. В Швейцарии с помощью тепловых насосов в 2000г. добывали 0,4 млрд. кВт·ч в год при среднегодовом приросте 12 %. Предполагается, что к 2010 г. суммарная тепловая мощность геотермальных систем теплоснабжения в мире достигнет почти 45 тыс. МВт.

Рис. 1.3. Принципиальная схема  организации теплоснабжения в г. Рейкьявике:

1 — геотермальные скважины; 2 — деаэраторы; 3 — насосная станция; 4 — аварийные (резервные) баки; 5 — пиковая котельная; 6 — потребители тепла

Геотермальная энергетика в СССР стала развиваться с  середины 60-х годов прошлого столетия, когда впервые была проведена Северокавказская разведочная экспедиция по бурению и реконструкции нефтегазовых скважин на термальные воды (1964 г.), а затем созданы соответствующие промысловые управления по использованию глубинного тепла Земли в различных районах Кавказа и на Камчатке. С 1970 по 1990 годы добыча термальной воды была увеличена в 9 раз, априродного пара в 3,2 раза. В 1990 г. было добыто 53 млн. м термальной воды и 413 тыс. т природного пара.

Россия располагает  не только большими запасами органического топлива, но и также и геотермальными ресурсами, энергия которых на порядок превышает весь потенциал органического топлива. Использование тепла Земли в России может составить до 10% в общем балансе теплоснабжения. На территории России разведано 66 геотермальных месторождений производительностью более 240 тыс.м/сут. термальных вод и более 105 тыс.т/сут. парогидротерм (табл. 1.11); пробурено свыше 4000 скважин для использования геотермальныхресурсов.

Таблица 1.11

Разведанные геотермальные  месторождения

Примечание. * Пароводяная  смесь, тыс. т/сут.

Проблемами использования  тепла земли занимаются около 50 научных  организаций, которые находятся в ведении Российской академии наук и ряда министерств.

Наиболее перспективными для освоения геотермальной энергии  являются Камчатско-Курильский, Западно-Сибирский  и Северо-Кавказский регионы. На Камчатке, Курильских островах и на Северном Кавказе геотермальное электро- и теплоснабжение может составить до 50—95 % общего потребления энергии. На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения, залегающие на глубинах от 300 до 5000 м. Температура в глубоких резервуарах достигает 180 °С и выше. Эти месторождения способны обеспечить получение до 10 000 тепловой и 200 МВт электрической мощности. Энергетический потенциал артезианских скважин, пробуренных для получения низкопотенциальной воды в равнинной и приморской зонах Дагестана, оценивается в пределах 1500 тыс. т у.т., что почти в 3 раза превышает потребности теплоснабжения республики. В Дагестане термальную воду добывает АО «Геотермнефтегаз» на девяти водозаборах, работающих в основном в прерывистом режиме, только в отопительный период по двухконтурной системе. Наиболее интенсивно эксплуатируются Махачкала-Тернаирское, Кизлярское и Избербашское месторождения термальных вод. Всего в Дагестане геотермальным теплоснабжением пользуются более 100 тыс. человек. Тепловой потенциал разведанных геотермальных месторождений Краснодарского края и Республики Адыгея превышает 3800 ГДж/год, что составляет более 71 % количества тепловой энергии, выработанной Кубаньэнерго в 2000 г. В системах теплоснабжения используется менее 5 % этого потенциала.

Для обеспечения высокой экономической эффективности термальных вод необходимо максимально использовать тепловой потенциал, чего можно достичь при комплексном использовании этих вод. Примером комплексного использования термальных вод служит Мостовское месторождение в Краснодарском крае. На Северном Кавказе около 500 тыс. человек используют геотермальные ресурсы для теплоснабжения в коммунально-бытовом секторе, сельском хозяйстве и промышленности.

Все производство природного пара сконцентрировано в Камчатской области, обладающей исключительными запасами тепла Земли, которые близко подходят к ее поверхности. Запасы геотермального пара и воды на Камчатке позволят получить до 2000 МВт электрической и 5000 МВт тепловой энергии, удовлетворить все потребности этого края в электроэнергии, теплоснабжении и превратить его в высокоразвитый край России. В настоящее время на Мутновском геотермальном месторождении сегодня успешно работают пять ГеоЭС.

В 1997 г. на о. Кунашир пущена в эксплуатацию тепловая геотермальная станция мощностью 20 МВт.

Общая установленная  электрическая мощность ГеоЭС России составляет 73 МВт, а тепловая мощность энергоустановок прямого использования  геотермального тепла — 307 МВт.

При прямом использовании  более половины добываемых ресурсов применяется для теплоснабжения жилых и промышленных помещений, треть — для обогрева теплиц, и около 13 % для индустриальных процессов. Кроме того, термальные воды используются примерно на 150 курортах и 40 предприятиях по розливу минеральной воды [42].

Необходимо отметить, что эксплуатация большинства геотермальных месторождений ведется на достаточно низком уровне. Зачастую после потребителя термальные воды сбрасываются с температурой 50—70 °С. Полезно используется примерно одна пятая теплового потенциала термальной воды. В среднем выведенные ресурсы на Северном Кавказе используются в качестве теплоносителя на 32 %, а по энергетическому потенциалу всего на 19 % [33].

Из-за ошибочных технических  решений (прямая подача потребителю воды, не соответствующей по химическому составу установленным нормам, отсутствие пиковых установок для обеспечения стандартных параметров по температуре и др.) использование термальных вод во многих случаях было приостановлено, и многие потребители со временем стали отказываться от использования продукции геотермальных месторождений.

Неоправданно низкие себестоимость и цены на геотермальную  продукцию, принятые из-за специфики  экономического учета, когда скважины принимались на баланс по цене в 3—4 раза меньшей их фактической стоимости (иногда и без стоимости), свели прибыль геотермальной отрасли к мизерной величине, не обеспечивавшей возможность ее дальнейшего эффективного развития. Кроме того, низкий уровень эксплуатации месторождений и огромная разница между значительными запасами геотермальной энергии и малой ее используемой частью объясняется некоторыми факторами, характеризующими эту энергию, а также технологией ее извлечения и использования. Такими факторами являются:

• высокая стоимость скважин и низкие транспортабельные качества термальных вод;
• необходимость обратной закачки отработанных вод и значительные расходы на их подготовку;
• невозможность аккумулирования тепловой энергии на длительный период;

• коррозионно-агрессивные свойства, характеризующие термальные воды на больших глубинах;
• одноразовое использование термальных вод в системе теплоснабжения и сравнительно низкая их температура и т.д.