 |
Геотермальные энергоустановки
|
|
|
|
Термальные воды широко применяются для отопления и горячего водоснабжения в ряде стран. Так, столица Исландии Рейкьявик почти полностью обогревается теплотой подземных источников. В больших масштабах термальные воды для теплоснабжения используют в Австралии, Новой Зеландии, Италии.
Эксплуатация первой геотермальной электростанции была начата в Италии в 1904 г. Интерес к таким станциям возрос в последние годы в связи с резким увеличением цен на ископаемое топливо на мировом рынке.
Практическое использование теплоты Земли зависит от глубины залегания горячих источников. Чтобы объяснить природу геотермальных явлений, рассмотрим наиболее интересное из них — извержение вулкана. По мере увеличения глубины земной коры, или литосферы, повышается температура. На глубине 40 км температура равна 1200°С. При этой температуре и атмосферном давлении должно происходить плавление пород. Однако в земных недрах на такой глубине повсеместно плавления не происходит из-за большого давления — порядка 1210 МПа.
В тех местах, где давление, обусловленное весом покрывающих пород, снято или значительно уменьшено, происходит плавление. Подобные явления наблюдаются при перемещениях земной коры, когда наряду с образованием складок при сжатиях образуются трещины при растяжениях. Расплавившаяся в трещинах масса может достигать поверхности Земли и выходить в виде лавы, горячих газов и водяного пара. Иногда такая масса, поднимаясь по трещинам и разломам, не доходит до поверхности Земли вследствие расширения и уменьшения давления. При этом нагретые теплотой больших глубин породы медленно остывают в течение десятков и сотен тысяч лет.
|
|
|
Передача теплоты от разогретых пород происходит за счет теплопроводности покрывающих пород и конвекции выделяющихся из массы горячих газов и водяного пара. Горячие газы и пар, поднимаясь по трещинам к поверхности Земли, могут встретить воду, которую они нагревают. Нагретая вода выходит на поверхность в виде горячих источников. Энергию нагретой воды можно использовать на геотермальных электростанциях. Объем выходящей на поверхность воды с течением времени меняется.
Анализ работы геотермальных электростанций в Новой Зеландии и Италии показал, что со временем падают давление и температура в скважине и значительно оседает поверхность вокруг скважины на площади примерно в 6 км2, а производительность скважин убывает по экспоненциальному закону. На базе геотермальных источников в Новой Зеландии и Италии работают электростанции, вырабатывающие 40 и 6% электроэнергии соответственно.
Геотермальные электростанции в качестве источника энергии используют теплоту земных недр. Известно, что в среднем на каждые 30—40 м в глубь Земли температура возрастает на 1°С. Следовательно, на глубине 3— 4 км вода закипает. Развитие геотермальной энергетики в России позволяет в ближайшие годы полностью решить проблему тепло- и электроснабжения больших регионов: Камчатки, Курильских островов, Северного Кавказа и отдельных районов Сибири, и практически на всей территории существенно улучшить систему теплоснабжения на основе тепла Земли с применением тепловых насосов.
В России сектор теплоснабжения потребляет более 45 % всей энергии страны, при этом только центральное теплоснабжение будет достигать 33—35 %.
При использовании современных технологий локального теплоснабжения можно за счет тепла Земли сэкономить значительные ресурсы органического топлива (мазута, угля, дизельного топлива).
Практически на всей территории России имеются запасы тепла Земли с температурой 30—40°С, а в отдельных районах имеются геотермальные резервуары с температурами до 300°С. Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла Земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический.
|
|
|
На территории России разведано около 50 геотермальных месторождений с запасами термальных вод, которые позволяют получить более 240x103 м3/сут и парогидротерм производительностью более 105x103 м3/сут. На территории страны пробурено более 3000 скважин с целью использования геотермальных ресурсов. Так, например, на Камчатке на геотермальных полях уже пробурено 365 скважин глубиной от 255 до 2300 м. Выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатскую обл. электроэнергией и теплом более чем на 100 лет.
Запасы тепла геотермальных вод Камчатки оцениваются в 5000 МВт.
Чукотка также имеет значительные запасы геотермального тепла на границе с Камчатской обл. Уже открытые здесь запасы тепла Земли могут в настоящее время активно использоваться для энергообеспечения близлежащих городов и поселков.
Курильские острова имеют свои богатые запасы тепла Земли, которых достаточно для тепло- и электрообеспечения на 100—200 лет.
На Северном Кавказе хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 180°С, находящиеся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь много лет используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения. В Дагестане в год добывается более 6 млн м3 геотермальной воды. На Северном Кавказе около 500 тыс. чел. используют геотермальное водоснабжение.
Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирский регион, Магаданская обл. также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного использования в промышленности и сельском хозяйстве.
В настоящее время в зависимости от температуры геотермальные ресурсы широко используются в электроэнергетике и теплофикации, промышленности, сельском хозяйстве, бальнеологии и других отраслях.
В 1965—1967 гг. на Камчатке были построены две геотермальные электростанции (ГеоЭС): Паужетская ГеоЭС, которая до сих пор работает, производит самую дешевую электроэнергию на Камчатке, и Паратунская ГеоЭС — первая в мире ГеоЭС с бинарным циклом, которая явилась прототипом почти 400 ГеоЭС, построенных в других странах. Бинарные электрические станции — это двухконтурные станции с использованием в каждом контуре своего рабочего тела. К бинарным также иногда относят одноконтурные станции, которые работают на смеси двух рабочих тел — аммиака и воды.
|
|
|
Верхне-Мутновская ГеоЭС была полностью создана российскими учеными и специалистами, все оборудование было изготовлено в кратчайшие сроки на российских заводах и предприятиях, так как был использован богатый опыт отечественного энергомашиностроения.
В то же время почти вся Камчатка и ряд других регионов России располагают значительными запасами геотермальной воды с температурой более 85°С, позволяющей получать электроэнергию на ГеоЭС с бинарным циклом. Блочные ГеоЭС с бинарным циклом мощностью от 300 кВт до 10 МВт (эл.) позволят обеспечить ряд удаленных поселков Камчатки, Чукотки и Сибири электроэнергией и теплом.
Структурная схема геотермальной электростанции приведена на рис. 5.1.
Рис. 5.1. Схема геотермальной электростанции для вулканических районов:
1 — скважина; 2— паропреобразователь; 3 — турбина;
4— конденсатор; 5— насос; 6 — водяной теплообменник.
Схема электростанции для вулканических районов, располагающих ресурсами термальных вод с температурой 100°С на глубинах, доступных для современной буровой техники, приведена на рис. 5.2.
Рис. 5.2.Схема геотермальной электростанции для невулканических районов:
1 — скважина; 2— бак-аккумулятор; 3— расширитель;
4— турбина; 5 — генератор; 6 — градирня; 7 —насос,
8— смешивающий конденсатор; 9, 10 — насос.
Использование геотермальной энергии в современных условиях в значительной степени зависит от затрат, необходимых для вывода на поверхность геотермальною теплоносителя в виде пара или горячей воды. Все действующие в настоящее время геотермальные электростанции располагаются в таких районах Земли, в которых температура теплоносителя достигает 150—360°С на глубинах, не превышающих 2—5 км.
|
|
|
Наибольшего экономического эффекта в энергетике можно достигнуть при замене централизованной системы традиционного теплоснабжения на локальные геотермальные источники тепла. Геотермальное теплоснабжение наиболее выгодно при прямом использовании геотермальной горячей воды, а также при применении тепловых насосов, которые могут эффективно использовать тепло Земли с температурой от 10 до 20°С. Тепловой насос — машина, предназначенная для передачи внутренней энергии от теплоносителя с низкой температурой к теплоносителю с высокой температурой с помощью внешнего воздействия для совершения работы. В основе принципа работы теплового насоса лежит обратный цикл Карно.
Россия — лидер в создании и эксплуатации централизованного теплоснабжения больших городов. Однако в нашей стране слабо развиваются локальные системы теплоснабжения на базе тепловых насосов, которые при затрате 1 кВт электрической мощности позволяют выдать в систему отопления от 3 до 7 кВт тепловой мощности.
Тепловые насосы нашли широкое применение во многих странах мира. Наиболее мощная теплонасосная установка работает в Швеции мощностью 320 МВт (т) и использует тепло воды Балтийского моря. Эффективность применения тепловых насосов определяется во многом соотношением цен на электрическую и тепловую энергию, а также коэффициентом трансформации, обозначающим, во сколько раз больше производится тепловой энергии по сравнению с затраченной электрической (или механической) энергией. Этот коэффициент изменяется в зависимости от температуры охлаждающей воды.
Наибольшего эффекта в организации локального теплоснабжения можно получить с помощью тепловых насосов, используя низкопотенциальные геотермальные источники тепла.
Наряду с ГеоЭС на Мутновском геотермальном поле имеется опыт создания и эксплуатации современных бассейнов и теплиц на геотермальной воде, а поселок Термальный полностью обеспечивается теплом и горячей водой за счет геотермальных ресурсов.
Практически все геотермальные источники содержат примеси в виде различных химических элементов. Химическая активность подземных теплоносителей, в составе которых могут быть ртуть, мышьяк, вызывает отрицательные экологические эффекты, а также усиливает коррозию конструкционных материалов энергетического оборудования. Извлечение химических элементов до отбора теплоты от теплоносителя позволяет снизить экологическое влияние, уменьшить химическую коррозию и получить ценное сырье для химической промышленности. Так, в некоторых скважинах Южно-Каспийского бассейна в 1 л воды содержится, мг: свинца — 77, цинка — 5, кадмия — 2, меди — 15, В настоящее время геотермальные источники больше используются для теплоснабжения, чем для выработки электрической энергии. Это объясняется как техническими трудностями в работе геотермальных электростанций, так и высокой стоимостью их в расчете на единицу установленной мощности.
|
|
|
