Петротермальные энергоустановки, оборудование

Первая ПЦС извлечения тепла пористых пластов для отопления была создана в 1963 г., в Париже. Сейчас таких систем во Франции функционирует более 60, больше десятка городов обогреваются теплом петротермальной энергии. А первая ПЦС с гидроразрывом, практически непроницаемого массива раскаленных гранитов, по проекту Лос-Аламосской национальной лаборатории начала создаваться в США, в 1977 г. В настоящее время в этой стране на основе ПЦС осуществлено более 224 проектов геотермального теплоснабжения. При этом допускается, что петротермальные ресурсы могут обеспечить основную часть перспективных потребностей США в тепловой энергии для неэлектрических нужд. Аналогичные работы проводятся в Англии, Германии, Швеции, Бельгии и других странах.

В настоящее время исследования и разведка геотермальных ресурсов ведутся в 65 странах мира. В мире на основе геотермальной энергетики создано станций общей мощностью около 10 000 МВт. Актуальную поддержку в освоении геотермальной энергии оказывает ООН и ЮНЕСКО. Расчеты показывают, что за год из одной скважины можно получить столько тепловой энергии, заключенной в петротермальных теплоносителях, сколько выделяется при сгорании 158 тыс. т угля.

Технологии извлечения тепла из горячих сухих подземных коллекторов получили название «Hot Dry Rock (HDR) технологии». В настоящее время такие исследования проводятся в 65 странах мира, а в некоторых уже успешно используются для отопления и кондиционирования воздуха (Франция, США, Япония, Германия и др.). Для производства электроэнергии планируется использование аномально горячих сухих пород, залегающих на относительно небольшой глубине, как, например, в бассейне Купер (Южная Австралия), где на глубине 3,5-4,5 км обнаружены сухие породы с температурой 240-300 ОС. В этом месте намечается строительство электростанции мощностью более 1 ГВт.

При извлечении тепла Земли с температурами недостаточными для прямого использования в паровой турбине предполагается применение бинарных схем с низкокипящими жидкостями. Но такое решение требует разработки и производства специального оборудования, что будет существенно удорожать строительство электростанций и производство электроэнергии, что может сделать его экономически неэффективным.

Сущность HDR-технологии заключается в следующем. Пробуривается две-три скважины до глубин с температурами, отвечающими требованиям теплоснабжения или производства электроэнергии. Одна из скважин является нагнетательной, подающей под давлением воду в зону нагрева, а другие - эксплуатационными, по которым образующийся пар с необходимой температурой поступает на поверхность. Если естественная проницаемость раскаленного массива пород недостаточна, то осуществляется его гидроразрыв для образования подземного «котла». Методы гидроразрыва пластов и наклонного бурения скважин хорошо освоены нефтегазовой промышленностью и успешно применены для создания петротермальных циркуляционных систем (ПЦС). Трещины, образовавшиеся в породах в результате гидроразрыва, поддерживаются в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости. При этом потери теплоносителя в окружающий массив на практике составляли около 1 % его общего расхода.

Накопленный отечественный и мировой опыт бурения глубоких и сверхглубоких скважин показал, что сооружение ПЦС требуемых параметров вполне осуществимо, но для широкого экономичного применения HDR-технологии должны быть созданы другие бурильные и измерительные средства. При температуре массива в нижней части скважины - 200-250 ОС, обеспечивающей необходимые параметры пара для производства электроэнергии, традиционные породоразрушающие инструменты механического действия для работы малопригодны. Предъявляются особые требования к выбору бурильных и обсадных труб, цементных растворов, технологии бурения, к креплению и заканчиванию скважин, к измерительной технике. Однако современная отечественная буровая техника и оборудование могут работать при температурах не выше 150-200 ОС. Кроме того, традиционное глубокое механическое бурение скважин затягивается на годы и стоит очень дорого. В этом основная причина экономической неэффективности сооружения глубинных ПЦС и создания на этой основе петроэлектростанций (ПетроЭС).(Приложение №1)

При сооружении петротеплоснабжающих станций (ПетроТС) для обеспечения коммунальных и промышленных нужд потребителей систем централизованного теплоснабжения необходимо иметь на поверхности теплоноситель с температурой до 150 ОС. Эта средняя температура пара достигается на глубине 3 км при очень высоком градиенте температур породы -5 ОС/100 м. Оценочные расчеты показывают, что стоимость сооружения только одной такой скважины для HDR-технологии составит около 4 млн долл. США (в ценах 2003 г.). При градиенте температур в два раза меньшем потребуется скважина глубиной 6 км, а стоимость ее сооружения возрастет до 10 млн долл. США.

Для надежного обеспечения турбин ПетроЭС паром требуемых параметров необходима температура пород до 250 ОС. При градиенте температур породы 2,5 ^ОС/100 м для этого должны быть сооружены скважины глубиной до 10 км. Фактических стоимостных данных для скважин такой глубины пока нет. В они лишь были оценены на основе специальной модели. Расчеты показали, что при механическом бурении стоимость скважины для HDR глубиной 10 км может быть около 20 млн долл. США (в ценах 2003 г.). Эти стоимостные значения в первом приближении могут быть перенесены и на отечественные условия. По данным стоимость бурения эксплуатационных скважин в Восточной Сибири составляет чуть более 4 млн долл. США, а разведочных - 7,5-8 млн долл. США.

Это означает, что сооружение ПетроТС и, тем более, ПетроЭС на базе существующих способов бурения скважин будет неконкурентоспособным в сравнении с традиционным тепло- и электроснабжением. Поэтому на сегодняшний день основная задача заключается в создании новых способов глубинного бурения, существенно удешевляющих этот процесс.

«Освоение тепловой энергии Земли испытывает большие трудности при строительстве глубоких скважин, являющихся каналом для вывода теплоносителя на поверхность. В связи с высокой температурой на забое, при 200–250 С традиционные породоразрушающие инструменты малопригодны для работы в таких условиях, предъявляются особые требования к выбору бурильных и обсадных труб, цементных растворов, технологии бурения, креплению и заканчиванию скважин. Отечественная измерительная техника, серийная эксплуатационная арматура и оборудование выпускаются в исполнении допускающим температуры не выше 150–200 °С. Традиционное глубокое, механическое бурение скважин подчас затягивается на годы и очень дорого. Строительство скважин из-за высокой плотности пород, рельефа местности, других параметров не всегда доступно.

Следовательно, решить эту проблему можно и нужно лишь путем создания прогрессивной технологии разработки основной части петротермальных ресурсов, т. е. извлечения энергии «сухих» горячих пород. Реальное освоение глубинной тепловой энергии Земли может быть решена только при создании высокоэффективной технологии строительства глубоких и сверхглубоких геотермальных скважин.»

«В основных производственных фондах стоимость скважин составляет 70–90%.

Проблемой извлечения и использования неисчерпаемой глубинной тепловой энергии горячих пород Земли на территории России наша группа российских ученых и специалистов занимается не один год. Целью работы группы – создание на основе отечественных передовых технологий высокоэффективных технических средств для глубокого и сверхглубокого проникновения в недра земной коры. В настоящее время разработано несколько вариантов буровых снарядов (БС) "ноу-хау". Такие буровые снаряды создаются впервые. Аналогов в мировой практике нет. Работа первого варианта БС связана с действующей традиционной технологией бурения скважин. Скорость бурения твердых пород (средняя плотность 2500–3300 кг/м3) до 30 м/ч, диаметр скважины 200–500 мм.

Второй вариант БС осуществляет бурение скважин в автономном и автоматическом режиме. Запуск БС осуществляется со специальной пускоприемочной установки, с которой и ведется управление его движением. Этот снаряд сможет пройти в твердых породах 1000 м в течение нескольких часов. Диаметр скважины от 500 до 1000 мм.

Варианты БС многоразового использования обладают большой экономической эффективностью и огромным потенциалом. Внедрение их в производство позволить открыть новый этап в строительстве глубоких и сверхглубоких скважин и обеспечить доступ к неисчерпаемым источникам тепловой энергии Земли.

Глубина скважин определяется петротермальными условиями и требованиями потребителя в энергетике. Для нужд теплоснабжения необходимая глубина скважин на всей территории страны лежит в пределах 3–4,5 км и не превышает 5–6 км.

Выработка электроэнергии в широких масштабах потребует создание циркуляционных систем со скважинами на глубине 7–9 км.

Температура теплоносителя для нужд жилищно-коммунального теплоснабжения не выходит за пределы 150°С. Для промышленных объектов температура, как правило, не превышает 180–200°С, а для выработки электроэнергии – 220–250°С.

Новая высокоэффективная технология потребует строительства глубоких и сверхглубоких нагнетательных и эксплуатационных скважин и создания между ними циркуляционных систем на глубине 5–9 км. Для сообщения между скважинами можно использовать естественный проницаемый пласт или создается искусственный коллектор с серией вертикальных трещин гидроразрыва, возможно внедрение других технологий. ГТЦС могут создаваться любой тепловой мощности. Продолжительность эксплуатации таких циркуляционных систем 40 лет и более. На основе постоянных ПЦС планируется строительство в широких масштабах тепловых станций (ПетроТС), электростанций (ПетроЭС) и теплоэлектростанций (ПетроТЭС). Станции строятся максимально приближенными к потребителю и по мощности, в зависимости от потребности тепла и электроэнергии, могут быть различными.

Мощность петротермальных паровых турбогенераторов (выпускаемых промышленностью): 1–5; 10–20; 25; 30; 50; 75; 100 МВт.

Мощность (электрическая) петротермальных теплоэлектростанций: 1–5; 10–20; 25–100; 100–300; 300–500; 500–1000 МВт.

Тепловая мощность ГЦС, кВт – любая.

Теплоноситель – пар, вода.

Районы обеспечения потребителей теплом ограничиваются радиусом – 10–15 км. В особо благоприятных условиях обеспечение потребителей теплом может достигать – 25–50 км.

Себестоимость получаемой электроэнергии и тепла на станциях, использующих тепло "сухих" горных пород может быть в 3–6 раз ниже получаемой электроэнергии и тепла на станциях, построенных по традиционной технологии геотермальных скважин.

Конструктивная простота ПетроТЭС, ПетроЭС и ПетроТС значительно упрощает их строительство и эксплуатацию. Наземная часть станций осуществляется в каркасном или комплектно-блочном (мобильном) исполнении.»

Цель создания таких станций – обеспечение постоянными, доступным дешевыми теплом и электроэнергией отдаленных, труднодоступных неосвоенных и нуждающихся в энергетике районов РФ.

Срок окупаемости геотермальных тепло- и электростанций 3 года.

Две трети территории России вполне возможно снабдить таким станциями.

Надо полагать, что это один из главных источников энергии в ближайшем будущем. Поэтому, Российской Федерации как арктическому государству развитие такого потенциала энергии крайне необходимо.

Создание новой отрасли дает возможность экономить около одного миллиарда тонн органического топлива в год. Экономия может составить

3–5 трлн. руб.

В срок до 2030 г. возможно создать энергетические мощности по замене до 30% огневой энергетики, а до 2050 г. почти полностью исключить органическое сырье в качестве топлива из энергетического баланса Российской Федерации.