Геотермальная энергетика

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, сегодня 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 240·10імі/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.

2. 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.

3. 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».

4. Преобразование геотермальной энергии в электрическую и тепловую

геотермальный энергетика земля электрический

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 напора t 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.

5. 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.

В России использование геотермальных источников также является достаточно перспективным направлением. Наряду с огромными ресурсами органического топлива Россия располагает значительными запасами тепла земли, которые могут быть преумножены за счет геотермальных источников, находящихся на глубине от 300 до 2500м в основном в зонах разломов земной коры.

Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический. Более того, практически везде имеются запасы тепла с температурой от 30 до 200С.

К примеру, Курильские острова богаты запасами тепла земли, их вполне достаточно для тепло и электрообеспечения этой территории в течение 100-200 лет. На острове Итуруп обнаружены запасы двухфазного геотермального теплоносителя, мощности которого (30МВт(э)) достаточно для удовлетворения энергопотребностей всего острова в ближайшие 100 лет. Здесь на Океанском геотермальном месторождении уже пробурены скважины и строится ГеоЭС. На южном острове Кунашир имеются запасы геотермального тепла, которые уже используются для получения электроэнергии и теплоснабжения г. Южно Курильска. Недра северного острова Парамушир менее изучены, однако известно, что и на этом острове есть значительные запасы геотермальной воды температурой от 70 до 95 С, здесь также строится ГеоТС мощностью 20 МВт (т).

Гораздо большее распространение имеют месторождения термальных вод с температурой 100-200С. При такой температуре целесообразно использование низкокипящих рабочих тел в паротурбинном цикле. Применение двухконтурных ГеоТЭС на термальной воде возможно в ряде районов России, прежде всего на Северном Кавказе. Здесь хорошо изучены геотермальные месторождения с температурой в резервуаре от 70 до 180 С, которые находятся на глубине от 300 до 5000 м. Здесь уже в течение длительного времени используется геотермальная вода для теплоснабжения и горячего водоснабжения. В Дагестане в год добывается более 6 млн. м. геотермальной воды. На Северном Кавказе около 500 тыс. чел, используют геотермальное водоснабжение.

Приморье, Прибайкалье, Западно-Сибирский регион также располагают запасами геотермального тепла, пригодного для широкомасштабного применения в промышленности и сельском хозяйстве.

Для использования геотермальных ресурсов пробурено более 3000 скважин. Стоимость исследований геотермии и буровых работ, уже выполненных в этой области, в современных ценах составляет более 4млрд. долларов.

Армения также считается одной из перспективных территорий для развития геотермальной энергетики. Согласно данным Министерства энергетики, потенциал составляет порядка 25-30 МВт.

К 2015 году геотермальные электростанции будут обеспечивать до 1.7% электропотребления в Китае, согласно планам Министерства землепользования и природных ресурсов КНР.

Использование геотермальной энергии для отопления и электроснабжения является значительной частью программы по развитию и внедрению альтернативных источников энергии в Китае. Планируется, что к 2015 году геотермальные источники смогут заменить 68.8 млн т угля и позволят снизить выбросы углекислого газа на 180 млн т.

В 2011 году более чем в двух десятках городов Китая были начаты работы по оценке потенциала строительства геотермальных электростанций. Правительство готово вложить в исследования 25.3 млн долл.

По подсчётам экспертов, доля возобновляемой энергетики в потреблении энергии в странах ЕЭС должна возрасти с 6,0 % в 2000 г. до 22,5 %, включая геотермальную энергетику, к 2012 г. Прогноз мирового производства энергии от возобновляемых источников энергии на 2040 г. составит 82,0 % от прогнозируемого мирового потребления электроэнергии.

Однако, говорить об общих перспективах развития геотермальной энергетики можно лишь рассматривая перспективы развития в каждой конкретной стране.

Каждый регион характеризуется собственными природными условиями и это требует разных подходов к решению проблемы. Делать выбор в пользу того или иного источника альтернативной энергии будет каждое государство, учитывая огромное количество факторов и опираясь на опыт других стран.

С уверенностью можно сказать только одно - геотермальная энергетика уже в течении ста лет находится под пристальным вниманием лучших учёных мира и заставляет говорить о себе всё больше и чаще, а тень энергетического кризиса, витающая над планетой, будет только способствовать увеличению популярности данного источника.

6. Достоинства и недостатки геотермальной энергетики

Геотермальная энергия всегда привлекала людей возможностями полезного применения. Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года. Геотермальная энергия своим "проектированием" обязана раскаленному центральному ядру Земли, с громадным запасом тепловой энергии. Только в верхнем трехкилометровом слое Земли запасено количество тепловой энергии, эквивалентное энергии примерно 300 млрд. т угля. Тепло центрального ядра Земли имеет прямой выход на поверхность Земли через жерла вулканов и в виде горячей воды и пара.

Кроме того, магма передает свое тепло горным породам, причем с ростом глубины их температура повышается. По имеющимся данным, температура Горных пород повышается в среднем на 1°С на каждые 33 м глубины (геотермическая ступень). Это означает, что на глубине 3-4 км вода закипает; а на глубине 10-15 км температура пород может достигать 1000-1200°С. Но иногда геотермическая ступень имеет другое значение, например, в районе расположения вулканов температура пород повышается на 1°С на каждые 2-3 м. В районе Северного Кавказа геотермическая ступень составляет 15-20 м. Из этих примеров можно сделать заключение о том, что имеется значительное разнообразие температурных условий геотермальных источников энергии, которые будут определять технические средства для ее использования, и что температура является основным параметром, характеризующим геотермальное тепло.

Существуют следующие принципиальные возможности использования тепла земных глубин. Воду или смесь воды и пара в зависимости от их температуры можно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электроэнергии либо одновременно для всех трех целей. Высокотемпературное тепло околовулканического района и сухих горных пород предпочтительно использовать для выработки электроэнергии и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.

Если в данном регионе имеются источники подземных термальных вод, то целесообразно их использовать для теплоснабжения и горячего водоснабжения. Например, по имеющимся данным, в Западной Сибири имеется подземное море площадью 3 млн м2 с температурой воды 70-9О°С. Большие запасы подземных термальных вод находятся в Дагестане, Северной Осетии, Чечено-Ингушетии, Кабардино-Балкарии, Закавказье, Ставропольском и Краснодарском краях, Казахстане, на Камчатке и в ряде других районов России.

В Дагестане уже длительное время термальные воды используются для теплоснабжения. За 15 лет откачано более 97 млн.м³ термальной воды для теплоснабжения, что позволило сэкономить 638 тыс.т, условного топлива.

В Махачкале термальной водой отапливаются жилые здания общей площадью 24 тыс.м2, в Кизляре - 185 тыс.м2. Перспективны запасы термальных вод в Грузии, которые допускают расход в сутки 300-350 тыс.м2 с температурой до 80чС. .Столица Грузии находится над месторождением термальных вод с метановоазотным и сероводородным составом и температурой до 100°С.

Наряду с достоинствами, развитие геотермальной энергетики имеет ряд недостатков.

Активное использование геотермальных ресурсов может оказывать неблагоприятное воздействие на окружающую среду.

Какие проблемы возникают при использовании подземных термальных вод?

Главная из них заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности. Например, термальные воды Большебанного месторождения (на реке Банная, в 60 км от Петропавловска - Камчатского) содержат различных солей до 1,5 г/л, фтора - до 9 мг/л, кремниевой кислоты - до 300 мг/л. Термальное воды Паужетского месторождения в том же регионе (температура J44 - 200°С, давление на устье скважины 2-4 атм) содержат от 1,0 до 3,4 г/л различных солей, кремниевой кислоты - 250 мг/л, борной кислоты - 15 мг/л, растворенных газов: углекислого - 500 мг/л, сероводорода - 25 мг/л, аммиака -15 мг/л. Геотермальные воды Тарумовского месторождения в Дагестане (температура 185°С, давление 150-200 атм) содержат до 200 г/л солей и 3,5 -4 м3 метана в нормальных условиях на 1 м3 воды.

Кроме того, факторами, оказывающими не менее негативное воздействие являются: повышенный уровень шума на выходе из скважины; загрязнение водоемов при сбросе в них термальных вод с повышенным содержанием солей; загрязнение окружающего воздуха попутными газами (bhS, СШ, NH4); тепловое загрязнение окружающей среды; повышение влажности воздуха за счет испарения в градирнях.

Во многих странах проводятся исследовательские работы, направленные на очищение окружающей среды от последствий эксплуатации геотермальных месторождений. Разрабатываются звукогасители, методы закачки использованной воды в пласт, методы предотвращения выброса вредных газов.

Выводы