Будущее в петротермальной энергетике!

В отличие от других возобновляемых источников энергии источник, базирующийся на использовании петротермального (глубинного) тепла Земли, стабилен во времени и не зависит от климатических и территориальных факторов. В отличии от гидротермальной энергетики, которая может быть использована только в некоторых местах нашей планеты, петротермальная энергия есть везде, буквально у нас под ногами.

Мы ищем журавля в небе, пытаясь обуздать тот же термояд, но не видим такого же журавля петротермальной энергии, стоящего рядом. Он пока не у нас в руках, но он находится намного ближе, чем все остальные "журавли".

Для организации съема тепла и производства тепловой и электрической энергии в этом случае не требуется значительных территорий, поэтому петротермальная ТЭС может быть построена даже в центре энергодефицитного мегаполиса. Экологическим преимуществом такого рода источников является отсутствие необходимости добывать, перерабатывать, транспортировать и сжигать топливо. Если учитывать отсутствие экологического ущерба в качестве экономической составляющей в себестоимости производства энергии, то использование для этой цели глубинного тепла оказывается конкурентоспособным в сравнении с традиционными способами получения энергии.

В 1963 г. в Париже была создана первая ГЦС извлечения тепла пород пористых пластов для отопления и кондиционирования воздуха в помещениях комплекса «Бродкастин Хаос». В 1985 г. во Франции работало уже 64 ГЦС общей тепловой мощностью 450 МВт при годовой экономии примерно 150 тыс. т нефти.

В том же году первая подобная ГЦС была создана в СССР в Ханкальской долине около г. Грозного.

В 1977 г. по проекту Лос-Аламосской национальной лаборатории США начались испытания опытной ГЦС с гидроразрывом практически непроницаемого массива на участке Фен-тон Хилл в штате Нью-Мехико. Нагнетаемая через скважину (нагнетательная) холодная пресная вода нагревалась за счет теплообмена с массивом горных пород (185 ОС) в вертикальной трещине площадью 8000 м2, образованной гидроразвывом на глубине 2,7 км. По другой скважине (эксплуатационная), также пересекающей эту трещину, перегретая вода выходила на поверхность в виде струи пара. При циркуляции в замкнутом контуре под давлением температура перегретой воды на поверхности достигала 160-180 ОС, а тепловая мощность системы - 4-5 МВт. Утечки теплоносителя в окружающий массив составляли около 1% общего расхода. Концентрация механических и химических примесей (до 0,2 г/л) соответствовала кондициям пресной питьевой воды. Трещина гидроразрыва не требовала крепления и поддерживалась в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости. Развивающаяся в ней свободная конвекция обеспечивала эффективное участие в теплообмене практически всей поверхности обнажения горячего породного массива.

Извлечение подземной тепловой энергии горячих непроницаемых пород, на основе освоенных и давно практикуемых в нефтегазовой промышленности методов наклонного бурения и гидроразрыва не вызывали сейсмической активности, ни каких-либо иных вредных воздействий на окружающую среду.

В 1983 г. английские ученые повторили американский опыт, создав экспериментальную ГЦС с гидроразрывом гранитов в Карнуэлле.  В США осуществлено более 224 проектов геотермального теплоснабжения. При этом допускается, что геотермальные ресурсы могут обеспечить основную часть перспективных потребностей США в тепловой энергии для неэлектрических нужд. 

Теоретически считается, что технически доступной глубинная тепловая энергия Земли может стать только при создании высокоэффективной технологии строительства глубоких и сверхглубоких геотермальных скважин. Несмотря на весьма длительную историю освоения тепла Земли сегодня геотермальная технология еще не достигла своего высокого развития. Освоение тепловой энергии Земли испытывает большие трудности при строительстве глубоких скважин, являющихся каналом для вывода теплоносителя на поверхность. В связи с высокой температурой на забое (200-250 ОС) традиционные породоразрушающие инструменты малопригодны для работы в таких условиях, предъявляются особые требования к выбору бурильных и обсадных труб, цементных растворов, технологии бурения и креплению  скважин.

В основных производственных фондах стоимость скважин составляет 70–90%. Глубина скважин определяется петротермальными условиями и требованиями потребителя в энергетике. Для нужд теплоснабжения необходимая глубина скважин на всей территории страны лежит в пределах 3–4,5 км и не превышает 5–6 км. Выработка электроэнергии в широких масштабах вероятно потребует создания циркуляционных систем со скважинами на глубине 7–9 км.
Температура теплоносителя для нужд жилищно-коммунального теплоснабжения не выходит за пределы 150° С, а для выработки электроэнергии оптимально – 220–250° С.

Нашими ученными разрабатываюся технологии петротермальных низкотемпературных ТЭС на которых можно использовать теплоноситель температурой не ниже 100 град, что позволит использовать скважины 3.500-5.000 метров глубиной. (О чем будет рассказано ниже).
На основе постоянных циркуляционных систем в широких масштабах сооружаютя петротермальные теплоэлектростанции (ПетроТЭС), петротермальные электростанции (ПетроЭС) и петротермальные теплостанции (ПетроТС). Конструктивная простота станций значительно упрощает их строительство и эксплуатацию. Наземная часть станции может быть выполнена в каркасном или комплектно-блочном (мобильном) исполнении.
Петротермальные энергоустановки строятся максимально приближенными к потребителю, и по мощности, в зависимости от потребности тепла и электроэнергии, могут быть разными. Все они отвечают требованиям обеспечения безопасного производства.

Технологии сооружения скважин на глубину 3-5 км отработаны хорошо и являются относительно недорогими. Районы обеспечения потребителей теплом ограничиваются радиусом – 10–15 км. 

Следующая проблема имеет отношение к транспортировке глубинного тепла земных пород на поверхность. В практике повсеместно используется метод извлечения глубинного тепла, базирующийся на прямом контакте носителя тепла с недрами. В массиве высокотемпературных земных пород при помощи искусственного гидроразрыва формируется система трещин, гарантирующая свободную циркуляцию, а также нагрев теплового носителя.

Циркуляционная система включает две скважины: нагнетательную скважину, по которой носитель тепла проходит в массив трещин, а затем в эксплуатационную скважину, по которой горячий носитель тепла выходит на поверхность.

Данный метод имеет серьезные недостатки:

- высокая минерализация и загрязненность теплоносителя, 

- потеря теплоносителя при циркуляции, 

- периодическая потребность в повторном гидроразрыве,

- необходимость использования износостойкого капиталоемкого оборудования и формирования сложных систем фильтрации. 

Таких недостатков лишена созданные и запатентованные в МЭИ (ТУ) двухконтурные петротермальные теплоэлектростанции с применением единственной скважины и одного теплообменника модели «труба в трубе».

Данная схема дает возможность исключить контакт носителя тепла с породами Земли и позволяет применять традиционное оборудование без надобности разработки сложных схем фильтрации.

Средний геотермический градиент для России составляет 2-3 ОС на 100 м (исключая зоны аномальных значений). Это позволяет рассчитывать на температуру пород до 260 ОС на глубинах до 10 км. Известно, что петротермальные теплоэлектростанции (далее петроТЭС) целесообразно сооружать, если температура извлекаемого тепла не ниже 100 ОС. При вышеназванных средних градиентах такая температура соответствует глубинам 3,5-5 км.

Производство электрической энергии на основе этой схемы может осуществляться с использованием любого низкотемпературного рабочего тела, т.е. с низкой температурой кипения [6].

 

При расчете данной схемы петроТЭС в качестве исходных данных расчета было выбрано следующее: центральный регион России с геотермическим градиентом 3,1 ОС на 100 м, электрическая мощность - 1 МВт, глубина скважины 3500 м, диаметр обсадной трубы - 426 мм, диаметр подъемной трубы - 273 мм.

Итоговым результатом расчета является значение суммарной потребляемой мощности насосов (163,6 кВт) на собственные нужды (циркуляция воды в скважине, циркуляция фреона, циркуляция в градирне), которые в значительной степени определяют основные затраты на собственные нужды. КПД петроТЭС составляет 36%. Изменение значений КПД в зависимости от температуры земных пород на дне скважины приведено на рис. 2 (для рабочего вещества R-11).

Полученные данные, дополнительно к вышеизложенным аргументам, подтверждают перспективность создания энергетических установок, использующих «бесплатное» петротермальное тепло Земли.

Очевидно, что основным элементом тепловой схемы петроТЭС является турбина, работающая на низкотемпературном рабочем теле. Установки такого рода с применением фреона R-11 были впервые разработаны в Японии [1, 7]. В 1979 г. на металлургическом заводе «Ки- шима» была введена в эксплуатацию турбина мощностью 2,9 МВт.

В качестве рабочих тел в тепловой схеме петроТЭС кроме фреонов могут использоваться любые низкотемпературные рабочие вещества. Эффективность рабочего тела предопределяют в основном два параметра:

■ величина удельной выработки работы на единицу рабочего вещества;

■ количество затрачиваемого тепла на испарение рабочего вещества.

 

В табл. 1 представлен перечень наиболее распространенных низкотемпературных рабочих веществ.

Рабочее   вещество	/, кДж/кг	qT, кДж/кг
R-12B1	12,96	143
R-21	14,4	245
R-407	15,8	203,3
R-132a	16,2	194,24
R-114	17,28	164
R-11	18	208
R-142	25,2	235
Н-пентан	44,5	439,94
Пропан	42,24	398
Бутан	42,24	448,3
Изобутан	39,2	402

Таблица 1. Величина удельной выработки работы на единицу рабочего вещества (I) и количество затрачиваемого тепла на испарение (qT) для различных низкотемпературных рабочих веществ.

 

Тип	Мощность	Стоимость
источника	установок,   МВт	электроэнергии,   евроцент/кВтч
Биогаз	более 0,5	6,2
Биомасса	от 0,5 до 5	8,3
от 5 до 20	7,8
Геотермальная	до 10	16
энергия	более 10	10,5
Петротермальная	до 10	20
энергия	более 10	14,5
Энергия ветра	-	13
Солнечная энергия	более 1	33

Таблица 2. Стоимость электрической энергии в альтернативной энергетике.

На рис. 3 данные рабочие тела расположены в ряд по мере возрастания КПД нетто турбины (определен без учета затрат энергии на работу насосов).

Хотя сам процесс закачивания воды в скважину на такую глубину технически сложен и энергозатратен, возникают потери тепла при транспортировке пара на поверхность, уязвимость скважины в случае подвижек литосферы и ряд других факторов, все эти проблемы решаемы.

На сегодняшний день стоимость 1 кВт.ч отпущенной электрической энергии от петроТЭС даже без учета экологического фактора сопоставима со стоимостными показателями других возобновляемых источников энергии. В табл. 2 приведены стоимостные показатели отпускаемой электрической энергии в альтернативной энергетике европейских стран в зависимости от типа источника [8].

Таким образом, с учетом отсутствия необходимости добывать, транспортировать и сжигать органическое топливо, а также с учетом возможности повсеместного использования вне зависимости от климатических условий и региональных особенностей петротермальные источники энергии в совокупности выгодно отличаются от других видов возобновляемых источников энергии.

В перспективе 2/3 территории России вполне возможно снабдить петротермальными энергоустановками. Надо полагать, что это один из главных источников энергии в будущем не только нашей страны, но и остальных стран. В перспективе возможно создать энергетические мощности, полностью исключающие органическое сырье в качестве топлива.

Петротермальная энергетика – фундамент обеспечения энергетической безопасности человечества.

 

Литература

1. Рыженков В.А., Кутько Н.Е. О возможности использования тепла глубинных пород Земли для электро- и теплоснабжения обособленных потребителей // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 1.

2. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 376с.

3. Geothermal Fields Development. Workshop on Geothermal Energy ICS-UNIDO, Trieste, 2008.

4. The alternative approach for ultra-deep geothermal drilling. Presentation, Agency for geothermal power engineering, 2008.

5. Рыженков В.А., Мартынов А.В., Кутько Н.Е. Геотермальная установка энергоснабжения потребителей. Патент на полезную модель № 63867 от 28 декабря 2006 г.

6. Мартынов А. В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. Сборник задач. М.: Энергоатомиздат, 1989.

7. Саламов А.А. Энергоустановки с органическим теплоносителем // Промышленная энергетика. 1982. № 6. С. 38.

8. Act Revising the Legislation on Renewable Energy Sources in the Electricity Sector and Amending Related Provisions. Germany, Federal Law Gazette. 2008. № 49.

http://www.energosovet.ru/stat826.html