Геотермические источники энергии

     Геотермальные электростанции 

     Хотя  начало промышленному освоению геотермальных  ресурсов было положено около 100 лет  тому назад еще в период подготовки к постройке и непосредственной постройки в Италии в 1916 г. ГеоТЭС мощностью 7,5 МВт с тремя турбинами единичной мощностью 2,5 МВт, однако «приручивание» геотермальной энергии с целью выработки электроэнергии растянулось на долгие десятилетия. По существу широкое промышленное строительство ГеоТЭС было развернуто только в 60-х годах прошлого века.

     Столь длительная задержка в освоении геотермальной  энергии для нужд электроэнергетики  объясняется рядом трудностей, которые  необходимо было преодолеть перед началом  строительства каждой конкретной ГеоТЭС. Основная из этих трудностей заключается в определении достаточности геотермального потенциала для функционирования запроектированной к строительству ГеоТЭС во избежание значительного финансового риска в том случае, если окажется, что этот потенциал недостаточен. Это требует проведения большого объема дорогостоящих предварительных геологический исследований.

     Другая  специфическая трудность заключается  в том, что удельный тепловой поток  геотермальных вод то есть глубинный  тепловой поток, отнесенный к единице  поверхности Земли за единицу  времени, очень мал. Поэтому для  практического использования этого  потока необходима разработка методов  и способов его концентрации, а  также передачи к местам применения. К тому же решение этой задачи осложняется  еще и тем, что технологические  схемы и оборудование ГеоТЭС практически не поддаются унификации, поскольку каждое геотермальное месторождение отличается от других месторождений своими уникальными характеристиками - геологическими свойствами, тепловым потенциалом, химическим составом и т.п. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Табл.4

     Кроме того, при строительстве ГеоТЭС следует учитывать также ряд их специфических особенностей, основные из которых следующие:

     - Наличие постоянного излишка  энергоресурсов, что позволяет обеспечивать  использование полной установленной  мощности оборудования этих станций.

     - Довольно простая автоматизация  процесса выработки электроэнергии.

     - Последствия каких-либо аварий, которые  могут возникнуть на ГеоТЭС, ограничиваются территорией станции.

     - Удельные капиталовложения и  себестоимость электроэнергии, вырабатываемой  на ГеоТЭС, ниже по сравнению с электроэнергией, вырабатываемой на основе других возобновляемых источников энергии.

     - Строительство и последующая  эксплуатация ГеоТЭС практически не создают экологических проблем для окружающей среды.

     Кратко  поясним последнюю из приведенных  выше особенностей ГеоТЭС. Выбросы углекислого газа на современных ГеоТЭС минимальны - они либо вообще отсутствуют, либо незначительны и составляют около 0,45 кг на 1 МВт-ч вырабатываемой на станции электроэнергии, тогда как на электростанции, работающей на природном газе, они составляют 464 кг, электростанции на нефти - 720 кг, на угле -819 кг. Кроме того, бурение геотермальных буровых скважин намного меньше влияет на окружающую среду, чем разработка любых других источников энергии.

     Технологическая геотермальная вода постоянно изолирована  от подземных вод трубопроводом, вмонтированным в буровую скважину. Ландшафт вокруг геотермальной установки  не портят ни шахты, ни туннели, ни груды  отходов. Под геотермальные установки нужны совсем небольшие участки земли, намного меньшие, чем под энергоустановки других типов, причем эти установки можно размещать практически на любых землях, в частности, на сельскохозяйственных угодьях. Перейдем теперь к непосредственному рассмотрению основных типов ГеоТЭС.

     ГеоТЭС принято делить но следующие три основные типа:

     1. Станции, работающие на месторождениях  сухого пара.

     2. Станции с сепаратором, работающие  на месторождениях горячей воды  под давлением (иногда с насосом  на дне буровой скважины для  обеспечения необходимого объема  поступающего энергоносителя).

     3. Станции с бинарным циклом, в  которых геотермальная теплота  передается ко вторичной жидкости, например, фреону или изобутану, и происходит классический цикл Ренкина. Такие ГеоТЭС работают на месторождениях сильно минерализированой горячей воды.

     Принципиальная  тепловая схема ГеоТЭС, работающей на месторождениях сухого пара, с паровой турбиной и паропреобразователем приведена на рис.5, где обозначено: I - скважина; 2 - паропреобразователь; 3 — конденсационная турбина с присоединенным к ней турбогенератором; 4 — конденсатор поверхностного типа; 5 — конденсатно-питательный насос; 6 — насос охлаждающей воды; 7- водоводяной теплообменник; 8 - эжекторная группа.

     ГеоТЭС, схема которой показана на рис.5, работает следующим образом. Пар из скважины поступает в паропреобразователь 2, где он отдает свое тепло вторичному теплоносителю, циркулирующему по замкнутому контуру турбина-конденсатор-паропреобразователь-турбина. При этом пар в паропреобразователе 2 конденсируется, а несконденсировавшиеся газы с избыточным давлением выбрасываются в атмосферу или направляются в химическое производство для дальнейшего использования.

     Вторичный, совершенно чистый пар направляется в конденсационную турбину 3, а  пар, отработавший в турбине, - в поверхностный  конденсатор 4, из которого конденсат забирается насосом 5 и подается в паропреобразователь 2 через теплообменник 7. В теплообменнике конденсат турбины предварительно подогревается за счет охлаждения конденсата подземного пара, что позволяет добиться некоторого увеличения выработки вторичного пара и электроэнергии при постоянном расходе подземного тепла. Эжекторная группа 8, состоящая из водоструйного эжектора, бака и эжекторного насоса, служит для удаления воздуха, проникшего в конденсационное устройство через неплотности.

     Рассмотрев  основные достоинства и недостатки геотермальной энергии, ее мировой потенциал и перспективы его использования в странах Евросоюза, в Украине, а также проблемы геотермального теплоснабжения, перейдем теперь к анализу отдельных типов ГеоТЭС.

Анализ  отдельных типов ГеоТЭС

     На  ГеоТЭС первого типа, то есть на ГеоТЭС, работающих на месторождениях сухого пара, использование паропреобразователя обеспечивает выработку чистого пара, поступающего в турбины. Тем самым установленные на ГеоТЭС турбины оказываются надежно защищенными от воздействия содержащихся в подземном паре агрессивных газов и таких агрессивных по отношению к металлам химических соединений, как углекислота, сероводород, борная кислота, аммиак и др. Кроме того, использование паропреобразователя позволяет успешно справиться с решением еще одной проблемы - с удалением из конденсаторов неконденсирующихся газов. В то же время зона, ограниченная поверхностью нагрева паропреобразователя и теплообменника, а также трубопроводами подземного пара и конденсата, непрерывно подвергается химической коррозии, и поэтому все оборудование этой зоны должно быть выполнено из антикоррозионных материалов, что заметно удорожает строительство таких станций.

     На  ГеоТЭС второго типа (станциях с сепаратором) используются геотермальные воды с температурой, превышающей 190°С. На таких станциях геотермальная вода, естественным образом поднимающаяся вверх по буровой скважине, подается в сепаратор, где некоторая ее часть кипит и превращается в пар, используемый для получения электроэнергии.

     Строение  ГеоТЭС третьего типа, то есть станций с бинарным циклом, предложенным советским инженером А. Калиной, основано на двух замкнутых циклах: один для геотермальной воды, второй - для рабочей жидкости или газа с низкой температурой кипения. На этих станциях рабочая жидкость, нагретая геотермальной водой, превращается в пар, затем используется теплообменник и, наконец, пар поступает в турбину, обеспечивая ее вращение. Поскольку оба контура замкнутые, выбросы практически отсутствуют, что делает систему экологически чистой. Особенностью работы бинарных ГеоТЭС является то, что в них рабочая жидкость, например, двухкомпонентная водно-аммиачная смесь, испаряется при более низкой температуре, чем вода. Поэтому такие станции работают при значительно более низких температурах, чем другие типы геотермальных станций (100-190°С), и в них достигается гораздо больший КПД, чем в ГеоТЭС традиционного исполнения. Если учесть, что в природе источники геотермальной воды с температурой ниже 190°С являются наиболее распространенными, то и в будущем следует ожидать преимущественное строительство станций этого типа.

     Отметим, что первая в мире ГеоТЭС с бинарным циклом была построена и пущена в опытно-промышленную эксплуатацию в 1967 г. на Камчатке. На этой станции мощностью 600 кВт, получившей название Паратунская ГеоТЭС, электроэнергия вырабатывалась из горячей воды с температурой более 80 °С. К настоящему времени бинарные ГеоТЭС работают во многих странах, их суммарная мощность превышает 500 МВт. Применение таких станций позволяет быстро и надежно обеспечивать электроэнергией поселки и небольшие города, находящиеся вдали от районов с центральным электроснабжением.

     Рассмотрим  теперь типичные тепловые схемы двух ГеоТЭС, одна из которых была построена в США, а другая в бывшем Советском Союзе.

     Тепловая  схема первой очереди американской ГеоТЭС Большие Гейзеры, построенной в 1961 году в США, в 130 километрах от Сан-Франциско, приведена на рис.6, где обозначено: 1 - скважина; 2 - турбогенератор мощностью 12,5 МВт; 3,4,5 - основной барометрический, промежуточный и конечный конденсаторы соответственно; 6 - маслоохладитель; 7,8 — эжектор первой и второй ступени соответственно; 9 вентиляторная градирня; 10- циркуляционный насос; 11 - сборник теплой воды; 12, 13 - бак и насос чистой воды соответственно.

геотермальный электростанция энергия теплоснабжение

     Мощность  первой очереди этой станции составляла 12,5 МВт, а уже через два года она была увеличена до 25 МВт. Показательно, что стоимость строительства  этой станции, несмотря на отсутствие опыта строительства подобных станций, составила лишь 55% от стоимости строительства  ТЭС такой же мощности. 
 

Возможные проявления местной  сейсмической активности в геотермальных  районах после  ввода в них  в эксплуатацию ГеоТЭС

     В ряде крупных геотермальных месторождений  земного шара при скважинном извлечении геотермальных вод наблюдается  местная сейсмическая активность в  виде микроземлетрясений с магнитудой М, обычно не превышающей 4,5 балла, и глубиной проявления очагов этих землетрясений до 6 и реже до 13 км, причем не сразу после завершения строительства ГеоТЭС, а позднее, после нескольких лет ее эксплуатации. По этому показателю не явилось исключением и Паужетское месторождение на юге Камчатки, где в 1 966 году была введена в эксплуатацию первая очередь Паужетской ГеоТЭС. Если за десятилетний периоде с 1962 по 1972 год включительно в отдельные годы в непосредственной близости от площадки станции случались лишь единичные небольшие землетрясения, то начиная с 1973 года произошла резкая локальная активизация этого района, которую геофизики называют наведенной сейсмичностью: в 1973 году произошло около 300, а в последующие четыре года примерно по 500 поверхностных землетрясений ежегодно. При этом в 1975 и 1976 годах эти землетрясения имели магнитуду М=5, и на сейсмостанции «Паужетка», расположенной в нескольких сотнях метров от ГеоТЭС, они были зарегистрированы как землетрясения силой в 6 баллов, что соответствует расстоянию до эпицентра не более 8 км. Распределение по годам в периоде с 1994 по 2004 год локальных землетрясений, зафиксированных сейсмостанцией «Паужетка», приведено на рис.9.

     Наиболее  сильны и опасны землетрясения, вызываемые наведенной сейсмичностью, в тех  случаях, когда они происходят вблизи геотермальных месторождений в  крупных тектонических разломах, поскольку такие землетрясения  могут произойти через значительный промежуток времени после начала их разработки. Поэтому вопросы изучения, индустриального освоения и комплексного мониторинга таких месторождений  исключительно актуальны. 

     Возникновение землетрясений под влиянием воздействия  промышленной эксплуатации геотермальных  месторождений (а в некоторых  случаях даже перед такой эксплуатацией, то есть после проведения бурильных  работ) является серьезным экологическим  последствием их разработки. Эта проблема в настоящее время является одной  из важнейших для геоэкологии, поскольку  явление еще мало изучено и  характеризуется непредсказуемостью развития процесса в силу того, что  оно вызывается комплексом причин, необычных для окружающей среды.