Геотермические источники энергии

     Как видно из табл.2, потенциал геотермальных  источников энергии просто таки колоссален. Однако используется он крайне незначительно: установленная мощность ГеоТЭС во всем мире на начало 1990-х годов составляла всего лишь около 5000 МВт, а на начало 2000-х годов - около 6000 МВт, существенно уступая по этому показателю большинству электростанций, работающих на других возобновляемых источниках энергии. Да и выработка электроэнергии на ГеоТЭС в этот период времени была незначительной. Об этом свидетельствуют следующие данные. В структуре мирового производства электроэнергии возобновляемые источники энергии (к которым согласно классификации Международного энергетического агентства (IEA) относятся: сжигаемые возобновляемые источники энергии и отходы биомассы, гидро-, геотермальная и солнечная энергия, энергия ветра, а также энергия приливов, морских волн океанов) в 2000 году обеспечили 19% общемирового производства электроэнергии — сразу после угля (39%), опередив атомную энергетику (17%), природный газ (17%) и нефть (8%). При этом, несмотря на значительные темпы развития, геотермальная, солнечная и ветровая энергия составляла в 2000 году менее 3% от общего объема использования энергии, получаемой от возобновляемых источников.

     Однако  в настоящее время геотермальная  электроэнергетика развивается  ускоренными темпами, не в последнюю  очередь из-за галопирующего увеличения стоимости нефти и газа. Этому  развитию во многом способствуют принятые во многих странах мира правительственные  программы, поддерживающие это направление  развития геотермальной энергетики.

     Отметим, что геотермальные ресурсы разведаны  в 80 странах мира и в 58 из них активно  используются. Крупнейшим производителем геотермальной электроэнергии являются США, где геотермальная электроэнергетика, как один из альтернативных источников энергии, имеет особую правительственную  поддержку. В США в 2005 году на ГеоТЭС было выработано около 16 млрд. кВт*ч электроэнергии в таких основных промышленных зонах, как зона Больших гейзеров, расположенная в 100 км к северу от Сан-Франциско (1360 МВт установленной мощности), северная часть Соленого моря в центральной Калифорнии (570 МВт установленной мощности), Невада (235 МВт установленной мощности) и др. Геотермальная электроэнергетика бурно развивается также в ряде других стран, в том числе: на Филиппинах, где на ГеоТЭС на начало 2003 года было установлено 1930 МВт электрической мощности, что позволило обеспечить около 27% потребностей страны в электроэнергии; в Италии, где в 2003 году действовали геотермальные энергоустановки общей мощностью в 790 МВт; в Исландии, где действуют пять теплофикационных ГеоТЭС общей электрической мощностью 420 МВт, вырабатывающие 26,5% всей электроэнергии в стране; в Кении, где в 2005 году действовали три ГеоТЭС общей электрической мощностью в 160 МВт и были разработаны планы по доведению этих мощностей до 576 МВт. Перечень государств, где ускоренными темпами развивается геотермальная электроэнергетика, безусловно, можно продолжить, включив в их число также и Украину.

     Характеризуя  развитие мировой геотермальной  электроэнергетики как неотъемлемой составной части возобновляемой энергетики на более отдаленную перспективу, отметим следующее. Согласно прогнозным расчетам в 2030 году ожидается некоторое (до 12,5% по сравнению с 13,8% в 2000 году) снижение доли возобновляемых источников энергии в общемировом объеме производства энергии. При этом энергия солнца, ветра и геотермальных вод будет развиваться ускоренными темпами, ежегодно увеличиваясь в среднем на 4,1 %, однако вследствие «низкого» старта их доля в структуре возобновляемых источников и в 2030 году будет оставаться наименьшей. 

     Перспективы развития геотермальной  электроэнергетики в странах Евросоюза, Украине

     Охарактеризуем  сначала перспективы развития геотермальной  электроэнергетики в странах  Евросоюза, обратив при этом особое внимание на проводимую в этих странах  целенаправленную скоординированную  государственную политику, направленную на существенное сокращение выбросов в атмосферу парниковых газов  за счет увеличения доли экологически чистой возобновляемой энергетики (в  том числе и геотермальной) в  общем энергопотреблении каждой из этих стран.

     Согласно  недавно приятым в ЕС двум директивам - Директиве Глав государств ЕС по сокращению выбросов парниковых газов, принятой в  марте 2007 года, и Директиве Еврокомиссии ЕС по возобновляемой энергетике, принятой в январе 2008 года, - перед странами ЕС поставлена задача: достичь к 2020 году 20% сокращения выбросов парниковых газов и 20% доли возобновляемой энергетики (включая и геотермальную) в общем  энергопотреблении.

     При разработке Директивы по возобновляемой энергетике 2005 год был принят за базовый, и именно от него производился отсчет доли возобновляемой энергетики в энергопотреблении, которую каждая из 27 стран ЕС должна достичь к 2020 году. Для наглядности в табл.3 приведены 10 из 27 стран ЕС с указанием в их энергопотреблении доли возобновляемой энергетики в 2005 году и доли, которую запланировано достичь к 2020 году.

     Очевидно, что выполнение столь грандиозных  планов по повышению доли возобновляемой энергетики в общем электроэнергетическом  балансе каждой из стран ЕС будет  способствовать ускоренному развитию геотермальной энергетики в тех  странах, где имеются реальные предпосылки  для строительства ГеоТЭС. Этому в значительной мере будет способствовать и предусмотренное в Директиве Еврокомиссии ЕС по возобновляемой энергетике положение, согласно которому страна-член ЕС, которая может выработать больше возобновляемой энергии, чем ей установлено планом согласно Директиве, обладает возможностью и правом помочь своей соседке по ЕС путем продажи ей полученной сверхплановой возобновляемой энергии.

     Табл.3

     Охарактеризуем  теперь перспективы использования  геотермальной энергии на Украине.

     В настоящее время доля возобновляемых источников энергии в энергетике Украины (без учета гидроресурсов) не превышает 1%. При этом Украина  занимает одно из первых мест в мире по количеству выбросов вредных веществ  в атмосферу, что не в последнюю  очередь вызвано сжиганием угля на тепловых электростанциях. Поэтому  использование огромного потенциала возобновляемых энергоисточников, в том числе и геотермальных, может стать одним из перспективных путей улучшения не только энергетики Украины, но и экологического состояния окружающей среды.

     Специалисты Института технической теплофизики  НАН Украины в ходе выполнения государственной научно-технической  программы «Экологически чистая геотермальная энергия на Украине» провели исследования и расчеты  общего геотермального потенциала недр Украины. Эти исследования показали, что в Украине имеются 2 основных вида геотермальных источников энергии  в виде теплоты сухих горных пород  сосредоточенных в основном в  северных и центральных регионах страны, которые залегают на глубинах до 5 км и имеют относительно невысокие  температуры (до 100°С), и в виде залегающих на глубине до 3000 м нагретых до 120°С термальных вод которые сосредоточены в Автономной республике Крым, Закарпатской, Харьковской и Полтавской областях, а также в Прикарпатском регионе.

     Общий потенциал геотермальной энергии  Украины оценивается в 51,2 млн. МВт-ч/год тепловой мощности и 2,5 млн. МВт-ч/год - для генерирующих установок. К сожалению, огромный геотермальный потенциал на Украине практически не используется. Геотермальные котельные функционируют только в Крыму и Закарпатье.

     Значительными запасами находящихся на глубине 2 км геотермальных вод имеющих температуру 100-150°С, обладают Яворовский и Мостиский районы Львовской области. По прогнозам специалистов только на базе запасов этих термальных вод можно построить комплекс ГеоТЭС общей мощностью около 200 МВт.

     Приведем  мнение специалиста, Ю.П. Морозова, зав. отделом Геотермальной энергетики Института возобновляемой энергетики НАН Украины, г. Киев: «Преимущество геотермальной энергии, по сравнению с традиционными видами энергии, заключается в том, что геотермальная энергия добывается в виде нагретой воды или пара, т.е. непосредственно в виде теплоты, которая получается из недр Земли без использования топлива.

     Наиболее  распространенным в настоящее время  является получение термальной воды и пара с обратной закачкой в подземный  пласт.

     На  Украине можно организовать промышленную добычу термальных вод в четырех  бассейнах: Закарпатском, Предкарпатском, Днепрово-Донецком и Причерноморском. Наиболее распространены на Украине термальные воды с температурой 70°С. Наибольшая температура зафиксирована в Тарханкутском и Закарпатском месторождении, там на глубинах 4...5 км она составляет 200...230°С. Тем не менее, по экономическим показателям ГеоТЭС с использованием теплоты этих месторождений уступают традиционным ТЭС. В настоящее время на Украине введено в эксплуатацию 9 геотермальных установок общей мощностью 10,6 МВт.

     Использование геотермальной энергии не связано  с использованием значительных площадей на поверхности земли и не сопровождается значительными выбросами в атмосферу  и отходами производства. Негативное влияние на окружающую среду при  использовании геотермальных ресурсов одно из наименьших среди всех энергоисточников».

                         Геотермальное теплоснабжение

     Хотя  в отдельных аномальных точках нашей  планеты экономически выгодно бурить скважины глубиной 4,5-5,0 км, все же проведенный в ряде стран технико-экономический анализ показал, что при применении современной технологии использования тепла геотермальных вод экономически обоснованными являются системы с глубинами бурения скважин до 3 км. При таких глубинах бурения тепловой потенциал 90% геотермальных вод не превышает 100°С и поэтому его целесообразно использовать преимущественно для целей геотермального теплоснабжения. В этом случае замена органического топлива теплом геотермальных вод оказывается намного более выгодной, чем при выработке электроэнергии.

     Геотермальные воды, используемые для теплоснабжения, можно условно поделить на следующие 3 группы:

     - Воды, которые могут непосредственно  использоваться потребителем и  подогреваться без каких-либо  отрицательных последствий, то  есть воды наиболее высокого  качества.

     - Воды, которые могут непосредственно  использоваться потребителями для  отопления, но не могут подлежать  подогреву из-за содержащихся  в них веществ с агрессивными  свойствами.

     - Воды повышенной минерализации  и агрессивности, которые невозможно  использовать непосредственно.

     Схема системы геотермального теплоснабжения, разработанная Институтом технической  теплофизики НАН Украины, приведена  на рис.3, где обозначено: 1 - подземный коллектор; 2 - буровая скважина; 3 - газошламоотделитель; 4 - нагнетательный насос; 5 - нагнетательная буровая скважина; 6 - теплообменник отопительной системы; 7 - насос отопительной системы; 8 - теплообменник системы горячего водоснабжения; 9 - отопительная система; 10 — система горячего водоснабжения; 11 — источник воды для горячего водоснабжения; 12 - система утилизации газов и шламов. 

     Рис.3 

     Характеристики  этой схемы системы геотермального теплоснабжения, приведены в табл.4.

     В качестве примера рассмотрим современную  систему геотермального теплоснабжения с расчетной тепловой мощностью 30 МВт и годовой выработкой тепловой энергии 49 тыс. МВт-ч, которая была построена  в 1994 году в Германии в городе Эрдинге.

     Тепловая  схема этой системы, обеспечивающая теплоснабжение жилых и административных зданий города и аквапарка, показана на рис.4, где обозначено: 1 - геотермальная скважина глубиной 2350 м с температурой 65°С;

     2 - погружной насос скважины, обеспечивающий расход геотермальной воды от 24 до 55 л/с; 3 - абсорбционный тепловой насос тепловой мощностью 6,8 МВт; 4 - мембранные фильтры, очищающие геотермальную воду до нормы холодного водоснабжения; 5 - аккумулятор холодной воды; 6 -насосы холодной воды; 7 - теплообменник нагрева воды для аквапарка; 8 - химводоочистка подпитки системы теплоснабжения; 9 - бак-аккумулятор подпиточной воды; 10 - подпиточный насос; 11 - потребители системы теплоснабжения; 12 — сетевой насос; 13 — теплообменник теплового насоса; 14 - котел. 

     Особенностью  приведенной на рис.4 системы геотермального теплоснабжения является то, что циркулирующая в этой системе обратная сетевая вода догревается утилизационным теплом теплового насоса с 50 до 75 °С и, соответственно, геотермальная вода охлаждается с 45 до 20°С. Пиковое догревание сетевой воды осуществляется в двух газовых котлах с установленной тепловой мощностью по 10 МВт. Расчетный температурный режим системы теплоснабжения - 110-50°С.