Геотермальная энергетика

Установленная мощность геотермальных электростанций (ГеоЭС) возросла с 678 МВт, в 1970 г. до 8000 МВт в 2000 г.

Страны-лидеры: США - 2228, Филиппипы - 1909, Италия - 785, Мексика -755, Индонезия -589 МВт (Россия -23 МВт). Среднегодовой рост мощности ГеоЭС за последние 30 лет составил 8,6%. Установленная мощность геотермальных тепловых установок за последние 20 лет возросла с 1950 до 17 175 МВт.

На начало 2000 г. ГеоЭС работали в 21 стране. За последние 5 лет было пробурено 1150 скважин глубиной более 100 м.

Россия располагает огромными запасами глубинного тепла Земли следующих типов: геотермальные (месторождения горячей воды с температурой от 20° до 100...120 °С), парогидротермальные (месторождения пароводяной смеси и пара с температурой от 100... 120 до 250 °С) и петротермальные или тепло горных сухих пород.

На 01.01.01 г. в эксплуатации находилось 56 месторождений термальных вод с общим количеством 210 скважин. Добыто и использовано потребителями термальной воды и пароводяной смеси эквивалентное замещению 1,05 млн т у. т.

Термальные воды в основном используют в теплоснабжении. Из общего объема использованной термальной воды на сельское хозяйство израсходовано до 46 %, на жилищно-коммунальное хозяйство - до 28 %, на промышленное теплоснабжение - до 18 % (сушка чайного листа, производство железобетонных конструкций, деревообрабатывающая промышленность и др.) и до 8 % - бальнеология, плавательные бассейны, прудовое хозяйство и прочие потребители. Геотермальным отоплением и горячим водоснабжением пользовался ряд районов в городах Грозный, Кизляр и других с населением около 350 тыс. человек. Общая площадь теплично-парниковых хозяйств на базе геотермальных вод составляет 80,1 га. Значение термальных вод не ограничивается использованием только их теплового потенциала. Минерализованные воды содержат гамму ценных компонентов, из которых особый интерес представляют редкие и рассеянные элементы: литий, рубидий, стронций, цезий, йод, бром и др. Целесообразность получения ценного химического сырья из термальных вод подтверждается длительной добычей его во многих странах. В России технология эффективного получения концентратов и попутных продуктов разработана Институтом физико-химических основ переработки минерального сырья Сибирского отделения АН России ин настоящее время прошла опытно-промышленную проверку.

Потенциальные эксплуатационные запасы термальных вод России с температурой 40…140 ˚С и минерализацией 1…200 г/л предварительно оценены (в зависимости от метода эксплуатации):

• при фонтанном способе 1,2 млн м³/сут. (2,6 млн т у. т/год);

• при насосном способе 37 млн м³/сут. (59 млн т у. т/год);

• при осуществлении обратной закачки с поддержанием пластового давления 70...75 млн м³/сут. (130...140 млн т у. т/год).

Месторождения пароводяных смесей, перспективные для освоения, расположены, главным образом, в вулканических областях: на Камчатке, Курильских островах, о. Сахалине.

На территории Камчатки имеется 26 районов многие из которых перспективны для выработки электроэнергии и способны обеспечить суммарную электрическую мощность около 1000 МВт (Мутновское, Ходуткинское, Паужетское, Кошелевское, Киреунское и др.).

Есть сведения о наличии месторождений пароводяных смесей в Дагестанской, Чеченской, Ингушской и Кабардино-Балкарской республиках, Краснодарском и Ставропольском краях.

В целом можно сказать, что расширение фронта работ в области освоения новых методов и способов как добычи, так и использования геотермальной энергии, решение ряда экономических и организационных вопросов, а также комплексный подход к использованию не только теплового потенциала, но и самих термальных вод - вот основные задачи, решение которых позволит более широко использовать тепло Земли в ТЭБ страны.

Еще в 1970 г. в России был предложен новый способ преобразования энергии пароводяной смеси в электрическую, получивший название метода полного потока, который апробирован на Паужетском и Паратунском месторождениях на Камчатке. Однако первая ГеоТЭС («Дезерт Пик» мощностью 9,5 МВт), использующая этот метод преобразования, построена в США в 1985 г.

Камчатская область является уникальным районом страны по своим особенностям, стимулирующим использование геотермальной энергии. Во-первых, она расположена в области современного вулканизма, где геотермальная энергия наиболее доступна и создание на ее основе систем энергоснабжения экономически наиболее целесообразно. Во-вторых, Камчатка по существу лишена собственных ресурсов органического топлива за исключением небольшого месторождения газа на западном экономически мало развитом побережье и двух небольших месторождений угля, уголь одного из которых имеет очень высокую зольность, а второе расположено на севере в плохо освоенном районе. Ежегодный завоз топлива на Камчатку составляет около 2 млн т у. т., в том числе до 0,9 млн т жидкого.

Запасы природных теплоносителей Камчатского полуострова позволят покрыть до 100 % потребности в централизованном электроснабжении и более 50% в теплоснабжении.

Однако в настоящее время доля геотермальных ресурсов в общем балансе полуострова составляет в электроэнергии менее 2%, а в теплоснабжении около 8 %. При этом использование теплового потенциала уже освоенных и разведанных месторождений осуществляется часто неудовлетворительно. Так, например, максимальная нагрузка Паужетской ГеоТЭС менее 50% установленной мощности, не решен вопрос об использовании тепловой энергии добываемой вместе с паром термальной воды в количестве 23 тыс. м³ в сутки, законсервировано Верхне-Паратунское месторождение с утвержденными запасами в 23,3 тыс. м³ в сутки. Прогнозные запасы пара на семи наиболее перспективных месторождениях Камчатки намечаемых к освоению до 2015 г., достаточны для создания ГеоТЭС суммарной мощностью около 500 МВт. В 1999г. (по заказу АО «Камчатскэнерго») завершилось строительство блочно-модульной Верхне-Мутновской ГеоЭС (рис. 2). Мощность станции 12 МВт. Насосы системы закачки отработавшего теплоносителя, пожарные и вспомогательные насосы, электрощиты управления, а также система защиты рабочего тракта ГеоЭС от коррозии и солеотложений расположены в насосном отсеке. При эксплуатации система защиты позволяет удалять отложения солей из турбин и воздушных конденсаторов, в период простоя предотвращать стояночную коррозию.

Рис. 2. Принципиальная тепловая схема энергоблока:

1- турбина; 2 - генератор; 3 – Воздушно-конденсационная установка; 4 – конденсатосборник; 5 – бак охлаждающей воды; 6 – насос; 7- сепаратор; 8 - расширитель; 9 – станционный шумоглушитель; 10 - маслоохладитель; 11 – воздухоохладитель; 12 - абсорбер; 13 – дроссельно-увлажнительная установка; 14 - эжекторная установка; 15 - водо-кольцевой компрессор; 16 - выхлопная труба; 17- добычная скважина; 18 - скважина закачки сепарата; 19 - скважина закачки конденсата

Турбины для Верхне-Мутновской ГеоЭС имеют несколько специфических отличий: регулирование расхода пара на входном трубопроводе осуществляется с помощью вращательной захлопки типа «баттерфляй» а выхлоп пара из турбин происходит вертикально вверх. Все 10 ступеней турбины имеют наружный бандаж и развитую систему сепарации влаги.

В перспективе предстоят реконструкция и расширение до 21 МВт Паужетской ГеоТЭС, начаты работы по разведке Нижне-Кошелевского месторождения. На Курильских островах АО «Сахалинэнерго» осваивает Океанское месторождение на о. Итуруп и Менделеевское на о. Кунашир.

Уникальным объектом является система централизованного теплоснабжения, создаваемая на базе Мутновского геотермального месторождения и использующая сбросное тепло ГеоТЭС (тепловая энергия сепарата и конденсата паровых турбин) и тепло пароводяной смеси некондиционных скважин.

В качестве теплоносителя для 1-й очереди системы теплоснабжения будет использовано 600 т/ч конденсата паровых турбин ГеоТЭС и 600 т/ч артезианской воды, которые после дегазации и подщелачивания по однотрубной тепломагистрали с трубопроводом диаметром 500 мм будут подавать в г. Елизово на расстояние 83 км. К этому теплопроводу подключат системы отопления восьми населенных пунктов.

Замена в системах отопления подключаемых населенных пунктов органического топлива геотермальным теплом сократит завоз на полуостров 65 тыс. т мазута и 150 тыс. т каменного угля в год, сократит загрязнение воздушного бассейна и, кроме того, заметно улучшит технико-экономические показатели ГеоТЭС.

Оценивая состояние проблемы изучения и практического использования геотермальных ресурсов в России в целом, необходимо отметить следующее.

Современная практика, организация, техническая и технологическая обеспеченность работ не может быть признана удовлетворительной. Темпы наращивания объемов использования термальных вод остаются низкими, сроки изучения и ввода в эксплуатацию месторождений, а также затраты на их освоение неоправданно завышены, степень использования ресурсов и их теплоэнергетического потенциала очень мала, составляя доли процента от имеющихся возможностей.

Не соответствует объективным возможностям и зарубежному опыту научно-технический уровень решения задач в этой области на этапах изучения и оценки месторождений, их обустройства, эксплуатации и разработки.

Все современные достижения в практическом использовании геотермальных ресурсов связаны в основном с низкоминерализованными высоко- и среднепотенциальными природными теплоносителями, которые могут быть использованы по прямому циклу без серьезных затрат на решение экологических задач безопасного их сброса. Однако такие теплоносители имеют сравнительно ограниченное распространение и ресурсы. Низкопотенциальные подземные воды пользуются очень широким распространением, охватывая обширные районы страны, в том числе лишенные местных топливных ресурсов и характеризуются неблагоприятной экологической ситуацией. Однако введение низкопотенциальных теплоносителей в хозяйственный оборот требует предварительного решения ряда научно-технических и технологических задач, так как в России отсутствует как опыт их эксплуатации по «замкнутой» геоциркуляционной технологии, так и соответствующие технические средства, обеспечивающие глубокую сработку теплоэнергетического потенциала (в первую очередь тепловые насосы и теплообменное оборудование), а также комплексное использование в качестве гидроминеральных и бальнеологических ресурсов.

Накопленный опыт использования энергии недр, возможность решения технических и технологических проблем, уровень подготовленности практических и теоретических вопросов, методы добычи геотермальной тепловой энергии свидетельствуют о том, что основным направлением использования в настоящее время и в ближайшей перспективе является геотермальное теплоснабжение жилищно-коммунальных, сельскохозяйственных и промышленных объектов, за счет которого и может быть получена значительная экономия традиционного органического топлива.