Геотермальная энергетика. 3

Введение 

      На  протяжении миллионов лет на Земле в результате фотосинтеза непрерывно накапливалась лучистая энергия Солнца. Древние растения и животные, погрузившиеся на дно морей и водоемов, отдают нам ее теперь в виде угля, нефти и природного газа – наших основных источников энергии.

      Накопленные огромные природные резервы человечество тратило постепенно в течение тысячелетий своего существования. Технический прогресс непрерывно увеличивает скорость истощения этих запасов. Вот почему все чаще поднимается проблема перспективы энергетического голода и целесообразности экономии природных ресурсов. И это толкает ученых и инженеров на поиски новых - альтернативных путей, которые помогут удовлетворить будущие потребности в энергии.

     Известно, что объем Земли составляет примерно 1085 млрд. куб.км, и весь этот объем, кроме слоя земной коры, имеет очень большую температуру. Сколько тепла заключено внутри Земли - неизвестно, однако, если судить по извержениям лавы, а также по таким менее явным проявлениям, как термальные источники, гейзеры и фумаролы, его вполне достаточно, чтобы обеспечить большую часть человечества необходимой энергией.

     Если  при этом учесть объем внутренней части Земли и теплоемкость пород, то понятно, что геотермальное тепло представляет собой один из самых крупных источников энергии, которым на данный момент располагает человек. Причем энергия эта в чистом виде, потому, что она уже существует в тепловой энергии, и для ее получения нет необходимости в сжигании топлив или создании реакторов.

     В последнее десятилетие использование  нетрадиционных возобновляемых источников энергии переживает в мире настоящий  бум. Масштаб применения этих источников возрос в несколько раз. Данное направление  развивается наиболее интенсивно по сравнению с другими направлениями  энергетики. Причин этого явления  несколько. Прежде всего, очевидно, что  эпоха дешевых традиционных энергоносителей  бесповоротно закончилась. В этой области  имеется только одна тенденция - рост цен на все их виды. Не менее значимо  стремление многих стран, лишенных своей  топливной базы к энергетической независимости Существенную роль играют экологические соображения, в том  числе по выбросу вредных газов.

      В данной работе речь идёт об одной из перспективных отраслей альтернативной энергетики, а именно – геотермальной. Приведена история развития геотермальной энергетики. Характеризуются основные источники тепла в недрах земли и геотермальные ресурсы земли. Рассмотрено состояние геотермальной энергетики в Республике Беларусь и странах Ближнего и Дальнего Зарубежья. Вместе с тем, приводится перечень основных достоинств и недостатков геотермальной энергетики, а также её влияние на окружающую среду.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     История развития геотермальной  энергетики.

        Геотермальная энергетика – это направление энергетики, основанное на производстве электрической и тепловой энергии за счёт тепловой энергии, содержащейся в недрах земли, на геотермальных станциях. Геотермальную энергетику обычно относят к альтернативным источникам энергии, использующим возобновляемые энергетические ресурсы.

     Идея  использования энергии земли  для отопления и кондиционирования  сама по себе не нова. Ещё в 1877 году немецким кайзеровским патентным бюро был выдан патент на „Способ охлаждения и подогрева воздуха с помощью тепла земли“. Но только в последние годы подземные теплообменники нашли широкое применение в различных проектах в области компенсации вентиляционных тепловых потерь, а также энергосберегающего кондиционирования.

     Эксплуатация  самой первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904г. Первая геотермальная электростанция в СССР– Паужетская ГеоТЭС на Камчатке – была введена в работу в 1967г. и имела мощность 5мВт, увеличенную впоследствии до 11 мВт.

     В 1983г. во ВСЕГИНГЕО был составлен атлас ресурсов термальных вод СССР. Следует отметить, что в СССР геотермальные воды использовались в Краснодарском и Ставропольском краях, Кабардино-Балкарии, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Дагестане, Камчатской области, Крыму, Грузии, Азербайджане и Казахстане. В 1988 году добывалось 60,8 млн. мі геотермальной воды, сейчас в России её добывается до 30млн. мі в год. Вместе с тем, технический потенциал геотермальной энергии, по данным Минэнерго РФ,с егодня составляет 2950 млн. т. условного топлива.

     В СССР научно исследовательскими работами по данной проблеме занимались институты Академии наук, Министерств геологии и газовой промышленности. Разведку, оценку и утверждение запасов месторождений выполняли институты и региональные подразделения Министерства геологии. Бурение продуктивных скважин, обустройство месторождений, разработку технологий обратной закачки, очистки геотермальных вод, эксплуатацию геотермальных систем теплоснабжения осуществляли подразделения Министерства газовой промышленности. В его составе работало пять региональных эксплуатационных управлений, научно-производственное объединение «Союзгеотерм» (Махачкала), которым была разработана схема перспективного использования геотермальных вод СССР. Проектированием систем и оборудования геотермального теплоснабжения занимался Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт инженерного оборудования.

       На сегодняшний день в России разведано 47 геотермальных месторождений с запасами термальных вод, которые позволяют получить более 240·10³м³/сут. Сегодня в России проблемами использования тепла земли занимаются специалисты почти 50 научных организаций.

     Новый импульс развитию геотермальной  энергетике на Камчатке был придан в 90-е годы с появлением организаций  и фирм (АО «Геотерм», АО «Интергеотерм», АО «Наука»), которые в кооперации с промышленностью (прежде всего с Калужским турбинным заводом) разработали новые прогрессивные схемы, технологии и виды оборудования по преобразованию геотермальной энергии в электрическую и добились кредитования от Европейского банка реконструкции и развития. В результате в 1999г. на Камчатке была введена Верхне-Мутновская ГеоТЭС (три модуля по 4мВт.). Вводится первый блок 25мВт. первой очереди Мутновской ГеоТЭС суммарной мощностью 50мВт. 

Источники тепла в недрах земли.   

      В центре Земли температура находится  в пределах 4000-5000 К, в магматических очагах, сравнительно близких к поверхности, достигает 1200-1500 К. Плотность теплового потока из внутренних областей Земли к ее поверхности в среднем составляет 6-Ю-3 Вт/м2. Этому соответствует температурный градиент около 30 К/км. В районах молодых складчатых областей тепловой поток может доходить до 0,3 Вт/м2 при температурном градиенте 200 К/км и более.

      В соответствии с современными представлениями  выделение теплоты в недрах Земли  связано с совокупностью следующих  процессов.

      1. Радиоактивный распад элементов: элементы с периодом полураспада, меньшим периода формирования Земли, распались при первоначальном разогреве планетного вещества; распад долгоживущих элементов продолжается в настоящее время. Общее количество теплоты, выделившейся за счет радиоактивного распада, оценивается в (0,6-2,0)-1031 Дж.

      2.  Воздействие притяжения Солнца и Луны, приводящее к земным приливам и торможению Земли. За счет этого фактора за время существования Земли выделилось до 30% теплоты радиогенного происхождения.

      3.   Гравитационная деформация материала Земли с образованием

плотного  ядра и менее плотной оболочки вызвала (по оценкам) выделение (1,5-2,0)- Ю31 Дж теплоты.

      4.   Тектонические процессы, вызывающие вертикальные и горизонтальные смещения крупных блоков земной коры и ее упругие деформации, приводят к ежегодному выделению 3-1018 Дж теплоты.

      5.   Предполагается, что химические превращения в недрах Земли могли привести к выделению 1,2-1031 Дж теплоты.  
 

Геотермальные ресурсы земли. Перспективные способы выявления потенциальных геотермальных источников энергии. 

      Геотермальные ресурсы классифицируются по четырем  группам: 

1. Месторождения сухого пара – ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются редко;

2.        Месторождения влажного пара – распространены в большей степени, однако при освоении возникают проблемы, связанные с коррозией и повышенным содержанием солей;

3.        Горячая вода – ресурсы большие, используются главным образом для отопления в тепличном хозяйстве;

4.         Теплота сухих горных пород – ресурсы большие, однако технология использования находится в ранней стадии освоения.

      По  характеру скопления термальные воды делят на

– трещинно-жильные,

– пластовые.

      Трещинно-жильные  термальные воды встречаются в горно-складчатых областях и характеризуются локальными выходами термальных источников и парогидротерм с температурой до 370 К и выше.

      Пластовые термальные воды залегают в пределах континентальных платформ, краевых прогибов и горных впадин. Такие бассейны могут занимать площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров.

      По  степени минерализации различают:

– термальные воды с низкой минерализацией (до 10 г/л), которые могут использоваться без предварительной подготовки;

– термальные воды со средней минерализацией (10-35 г/л), требующие очистки;

–  термальные воды с высокой минерализацией (35-200 г/л и более), которые могут использоваться в двухконтурных схемах.

      Геотермальные источники – огромный резервуар энергии, способный удовлетворить энергетические потребности Земли. Ранее считалось, что геотермальная энергия является реальной альтернативой только для определённых регионов, расположенных в зонах вулканической активности. Поиски в других странах и областях считались дорогими, сложными и бесперспективными.

     Однако  недавно исследователями был предложен принципиально новый способ поиска.

       Учёные установили, что указать  горячие недра может концентрация  гелия. По мнению авторов идеи, необходимые человеку ресурсы  могут встречаться и в других  местах, поскольку происходят из  горячего вещества мантии, которые  просачиваются через сетку глубинных  разломов в нижних слоях земной  коры.

       Авторы разработки – ученые-геохимики, Мак Кеннеди из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли и Маттейс ван Суст из университета Аризоны открыли новый способ выявления потенциальных геотермальных источников энергии в процессе изучения геологической структуры в Провинции бассейнов и хребтов на северо-западе США.

 Исследователи  определяют три условия, которым должны соответствовать все источники. Во-первых, они должны обладать большим температурным градиентом, то есть потоки мантии должны близко подходить к скальной породе. Во-вторых, источник должен иметь пополняемый подземный резервуар с жидкой средой, которой, как правило, является вода - именно она будет выносить тепло и давление на поверхность, где мы можем их использовать. Кроме того, под источником должна существовать сеть глубинных пор, по которым потоки из мантии смогут добираться до горячей зоны источника, принося с собой тепло.

       Предполагается, что данный способ  поиска обеспечит обнаружение  источников, соответствующих всем  трём указанным показателям.

       Изобретение появилось из анализа  соотношения изотопов гелия в  образцах, полученных методами бурения,  из поверхностных источников, а  так же из открытых дренажных  отверстий на поверхности. 

       Ключом здесь стал изотоп гелия-3, который образуется только в  ходе термоядерного синтеза в  недрах звезд. Реликтовый гелий-3, оставшийся в Солнечной системе со времён её образования, в довольно больших количествах сохраняется по сей день в мантии Земли.

  Высокое содержание гелия-3 означает, что подземные воды омывают мантийные породы, низкое же служит индикатором того, что вода или другие жидкости и близко не подходят к границе раздела кора-мантия.

     Традиционно принято считать, что геотермальные источники энергии, пригодные для освоения человеком, существуют лишь в местах вулканической активности. Ими, например, являются гейзеры. Ресурсы же геотермальной энергии, на которые указывают Кеннеди и ван Суст, берут свое начало не в вулканических зонах, а из потоков горячего вещества мантии, просачивающихся через сетку глубинных разломов в нижних слоях земной коры. Отчет о своей работе ученые опубликовали в последнем выпуске журнала «Science». 

Преобразование  геотермальной энергии  в электрическую и тепловую. 

     Одно  из перспективных направлений использования  тепла высокоминерализованных подземных  термальных вод преобразование его  в электрическую энергию. С этой целью была разработана технологическая  схема для строительства ГеоТЭС, состоящая из геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) и паротурбинной установки (ПТУ). Отличительной особенностью такой технологической схемы является то, что в ней роль испарителя и перегревателя выполняет внутрискважинный вертикальный противоточный теплообменник, расположенный в верхней части нагнетательной скважины, куда по наземному трубопроводу подводится добываемая высокотемпературная термальная вода, которая после передачи тепла вторичному теплоносителю закачивается обратно в пласт. Вторичный теплоноситель из конденсатора паротурбинной установки самотёком поступает в зону нагрева по трубе, спущенной внутри теплообменника до днища.

      В основе работы ПТУ лежит цикл Ренкина; t,s диаграмма этого цикла и характер изменения температур теплоносителей в теплообменнике испарителе.

     Наиболее  важным моментом при строительстве  ГеоТЭС является выбор рабочего тела во вторичном контуре. Рабочее тело, выбираемое для геотермальной установки, должно обладать благоприятными химическими, физическими и эксплуатационными свойствами при заданных условиях работы, т.е. быть стабильным, негорючим, взрывобезопасным, нетоксичным, инертным по отношению к конструкционным материалам и дешёвым. Желательно выбирать рабочее тело с более низким коэффициентом динамической вязкости (меньше гидравлические потери) и с более высоким коэффициентом теплопроводности (улучшается теплообмен).

     Невысокие начальные параметры рабочих  тел геотермальных энергетических установок приводят к поиску низкокипящих рабочих тел с отрицательной  кривизной правой пограничной кривой в t, s диаграмме, поскольку использование воды и водяного пара приводит в этом случае к ухудшению термодинамических показателей и к резкому увеличению габаритов паротурбинных установок, что существенно повышает их стоимость.

     В качестве сверхкритического агента вторичного контура бинарных энергетических циклов предложено применять смесь  изобутан + изопентан в сверхкритическом состоянии. Использование сверхкритических смесей удобно тем, что критические свойства, т.е. критическая температура tк(x), критическое давление pк(x) и критическая плотность qк (x) зависят от состава смеси x. Это позволит путём подбора состава смеси выбрать сверхкритический агент с наиболее благоприятными критическими параметрами для соответствующей температуры термальной воды конкретного геотермального месторождения.

     В качестве вторичного теплоносителя  используется легкокипящий углеводородизобутан, термодинамические параметры которого соответствуют требуемым условиям. Критические параметры изобутана:tк = 134,69 C; pк = 3,629МПа; qк =225,5кг/мі. Кроме того, выбор изобутана в качестве вторичного теплоносителя обусловлен его относительно невысокой стоимостью и экологической безвредностью (в отличие от фреонов). Изобутан в качестве рабочего тела нашёл широкое распространение за рубежом, а также предлагается использовать его в сверхкритическом состоянии в бинарных геотермальных энергетических циклах.

     Энергетические  характеристики установки рассчитаны для большого диапазона температур добываемой воды и различных режимов  её работы. При этом во всех случаях  принималось, что температура конденсации  изобутана tкон =30 C.

     Возникает вопрос о выборе наименьшего температурного напораt рис.2. C одной стороны, уменьшение t приводит к увеличению поверхности теплообменника испарителя, что может быть экономически не оправдано. С другой стороны, увеличение t при заданной температуре термальной воды tт приводит к необходимости понизить температуру испарения tз (а, следовательно, и давление), что отрицательно скажется на КПД цикла. В большинстве практических случаев рекомендуется принимать t = 10ч25єС.

     Полученные  результаты показывают, что существуют оптимальные параметры работы паросиловой  установки, которые зависят от температуры  воды, поступающей в первичный  контур парогенератора теплообменника. С увеличением температуры испарения  изобутана tз возрастает мощность N вырабатываемая турбиной на 1кг/с расхода вторичного теплоносителя. При этом по мере увеличения tз уменьшается количество испаряемого изобутана на 1кг/с расхода термальной воды.

     С повышением температуры термальной воды увеличивается и оптимальная  температура испарения.

     На  рис.3 представлены графики зависимости  мощности N, вырабатываемой турбиной, от температуры испарения tз вторичного теплоносителя при различных температурах термальной воды.

     Для высокотемпературной воды (tт = 180єС) рассмотрены сверхкритические циклы, когда начальное давление пара pн= 3,8; 4,0; 4,2; и 5,0МПа. Из них наиболее эффективны с точки зрения получения максимальной мощности является сверхкритический цикл, приближенный к так называемому «треугольному» циклу с начальным давлением pн= 5,0Мпа. При этом цикле вследствие минимальной разности температур между теплоносителем и рабочим телом температурный потенциал термальной воды используется наиболее полно. Сравнение этого цикла с докритическим (pн=3,4Мпа) показывает ,что мощность, вырабатываемая турбиной при сверхкритическом цикле, увеличивается на 11%, плотность потока вещества, поступающего на турбину, в 1,7 раза выше, чем в цикле с pн= 3,4Мпа, что приведёт к улучшению транспортных свойств теплоносителя и уменьшению размеров оборудования (подводящих трубопроводов и турбины) паротурбинной установки. Кроме того, в цикле с pн= 5,0Мпа температура отработанной термальной воды tн, нагнетаемой обратно в пласт, составляет 42 С, тогда как в докритическом цикле с pн= 3,4 МПа температура tн= 55єС.

В то же время повышение начального давления до 5,0 МПа в сверхкритическом цикле  влияет на стоимость оборудования, в частности на стоимость турбины. Хотя с ростом давления размеры проточной  части турбины уменьшаются, одновременно возрастает число ступеней турбины, требуется более развитое концевое уплотнение и, главное, увеличивается  толщина стенок корпуса.

     Для создания сверхкритического цикла  в технологической схеме ГеоТЭС необходима установка насоса на трубопроводе, связывающем конденсатор с теплообменником.

     Однако  такие факторы, как увеличение мощности, уменьшение размеров подводящих трубопроводов  и турбины и более полное срабатывание температурного потенциала термальной воды, говорят в пользу сверхкритического  цикла.

     В дальнейшем следует искать теплоносители  с более низкой критической температурой, что позволит создавать сверхкритические циклы при использовании термальных вод с более низкой температурой, так как тепловой потенциал подавляющего большинства разведанных месторождений  на территории России не превышает 100ч120єС. В этом отношении наиболее перспективным  является R13B1(трифторбромметан) со следующими критическими параметрами: tк= 66,9єС; pк= 3,946МПа; qк= 770кг/мі.

     Результаты  оценочных расчетов показывают, что  применение в первичном контуре  ГеоТЭС термальной воды с температурой tк= 120єС и создание во вторичном контуре на хладоне R13B1 сверхкритического цикла с начальным давлением pн= 5,0МПа также позволяют увеличить мощность турбины до 14% по сравнению с докритическим циклом с начальным давлением pн= 3,5МПа.

     Для успешной эксплуатации ГеоТЭС необходимо решать проблемы, связанные с возникновением коррозии и солеотложений, которые, как правило, усугубляются с увеличением минерализации термальной воды. Наиболее интенсивные солеотложения образуются из-за дегазации термальной воды и нарушения в результате этого углекислотного равновесия.

     В предложенной технологической схеме  первичный теплоноситель циркулирует  по замкнутому контуру: пласт - добычная скважина - наземный трубопровод - насос - нагнетательная скважина - пласт, где  условия для дегазации воды сведены  к минимуму. В то же время следует  придерживаться таких термобарических  условий в наземной части первичного контура, которые препятствуют дегазации  и выпадению карбонатовых отложений (в зависимости от температуры и минерализации давление необходимо поддерживать на уровне 1,5МПа и выше).

     Снижение  температуры термальной воды приводит к выпаданию и некарбонатных солей, что было подтверждено исследованиями, проведенными на Каясулинском геотермальном полигоне. Часть выпадающих в осадок солей будет отлагаться на внутренней поверхности нагнетательной скважины, а основная масса выносится в призабойную зону. Отложение солей на забое нагнетательной скважины будет способствовать снижению приёмистости и постепенному уменьшению циркулярного дебита, вплоть до полной остановки ГЦС.

     Для предотвращения коррозии и солеотложений в контуре ГЦС можно использовать эффективный реагент ОЭДФК (оксиэтили-дендифосфоновая кислота), обладающий длительным антикорро-ионным и антинакипным действием пассивации поверхности. Восстановление пассивирующего слоя ОЭДФК осуществляется путём периодического импульсного ввода раствора реагента в термальную воду у устья добычной скважины.

     Для растворения солевого шлама, который  будет скапливаться в призабойной зоне, а следовательно и для восстановления приёмистости нагнетательной скважины весьма эффективным реагентом является НМК (концентрат низкомолекулярных кислот), который также можно вводить периодически в циркулируемую термальную воду на участке до нагнетательного насоса.

     Следовательно, из выше сказанного можно предложить, что одним из перспективных направлений  освоения тепловой энергии земных недр является её преобразование в электрическую  путём строительства двухконтурных  ГеоТЭС на низкокипящих рабочих агентах. Эффективность такого преобразования зависит от многих факторов, в частности от выбора рабочего тела и параметров термодинамического цикла вторичного контура ГеоТЭС.

     Результаты  проведенного расчетного анализа циклов с использованием различных теплоносителей во вторичном контуре показывают, что наиболее оптимальными являются сверхкритические циклы, которые позволяют  повысить мощность турбины и КПД цикла, улучшить транспортные свойства теплоносителя и более полно срабатывать температуру исходной термальной воды, циркулирующей в первичном контуре ГеоТЭС. 

Установлено также, что для высокотемпературной  термальной воды (180єС и выше) наиболее перспективным является создание сверхкритических циклов во вторичном контуре ГеоТЭС с использованием изобутана, тогда как для вод с более низкой температурой (100ч120єС и выше) при создании таких же циклов наиболее подходящим теплоносителем является хладон R13В1.

     В зависимости от температуры добываемой термальной воды существует оптимальная  температура испарения вторичного теплоносителя, соответствующая максимальной мощности, вырабатываемая турбиной.

     В дальнейшем необходимо изучать сверхкритические смеси, использование которых в  качестве рабочего агента для геотермальных  энергетических циклов является наиболее удобным, так как путём подбора  состава смеси можно легко  менять их критические свойства в  зависимости от внешних условий. 

     Развитие  геотермальной энергетики в странах Ближнего и Дальнего Зарубежья.

     В мировой практике использованию  возобновляемых источников энергии  уделяется большое внимание. Во многих странах существуют национальные программы  по развитию возобновляемой энергетики.

     Прогнозы  строительства геотермальных электростанций (ГеоЭС) по всему миру выглядят весьма оптимистично. В ближайшие годы их мощности возрастут более чем на 40% и достигнут 11 400 МВт. Здесь лидируют страны Юго-Восточной Азии. На Филиппинах за последние пять лет введены мощности на ГеоЭС в 682 МВт. В Индонезии – на 280 МВт.

       В Европе же только Исландия  и Италия продолжают наращивать  мощности на таких электростанциях.  В частности,  в Исландии пробурена трёхкилометровая геотермальная скважина в вулкане, которая может обеспечить Исландию бесконечной поставкой экологически чистой электроэнергии. Из скважины глубиной в две мили, которую они пробурили в активном вулканическом кратере Krafla,  извлекают сверхкритическую воду (состояние при котором исчезает различие между жидкой и газовой фазой). Остров - один большой вулкан, сформированный миллионы лет тому назад. Геологическая эволюция сделала Исландию подходящим местом для сбора геотермальной энергии. Пористая порода впитывает сотни миллиметров осадков каждый год и подогревает их в подземных недрах. Более чем 50 стран используют геотермальную энергию; в значительной степени всюду, где магма и вода стыкаются в пределах нескольких километров на поверхности. Исландия занимает 14-ое место в мире по наличию геотермальных ресурсов, но, в тоже время, являются самым крупным производителем этой энергии на душу населения.

     В Турции пока имеется только одна ГеоЭС в Кызылтере мощностью 20,4 МВт и существует проект строительства новой в Герменжике на 25 МВт. В Швеции ежегодно устанавливают порядка 30 тыс. термальных установок для использования геотермального тепла.