Геотермальные когенерационные станции

Современное общество уже пришло к пониманию конечности ископаемых ресурсов, однако так или иначе, сокращение объема потребления энергии не возможно, в дальнейшем оно будет только расти.

Ученые государственных институтов и частных компаний активно ищут возможности добывать дешевую тепловую и электроэнергию.

По официальным данным, к 2020г. Евросоюз намерен довести долю возобновляемых источников в общей структуре энергопотребления до 20%, к 2040г. до 50%.

Большое значение придается геотермальной энергетике. Геотермальная энергия считается одним из самых надежных видов возобновляемой энергии. Тепло, выделяемое недрами земли, доступно днем и ночью в любую погоду, не зависит от ископаемых ресурсов.

Запасы подземных ресурсов  в 10-12 раз превышают потенциал органического топлива. Производство энергии из термальных ресурсов земли является экологически чистым и практически не влечет выбросов СО2 в атмосферу (65г на 1 кВт/час).

В то же время, при сжигании природного газа эмиссия СО2 составляет 453г на 1 кВт/ч, нефти – 906г на 1 кВт/ч , угля – 1042 г на 1 кВт/ч.

Десятки стран мира развивают геотермальную отрасль. Постепенно это направление развивается и в России. 

Первый случай применения подземной энергии был зафиксирован  в XIV веке. За счет горячих ключей люди отапливали свои дома. Получать с помощью геотермальной энергии электричество придумали в Италии в начале ХХ века.

«Отцом» мировой геотермальной энергетики вообще, и итальянской геотермальной энергии в частности, следует считать Джинори Конти, который провёл удачный научный эксперимент и доказал реальность этого процесса. 

Развитие геотермальной энергии, как и многих других альтернативных источников энергии, было замедлено по причине дешевизны нефти в 70-х гг. прошлого века. Спад был недолгим, поскольку необходимость в надёжном и экологически чистом источнике энергии была слишком очевидной.

Общий выход тепла из недр Земли на ее поверхность втрое повышает современную мощность энергоустановок мира и оценивается в 30 ТВт. Однако тепло Земли очень рассеянно.

Для того, чтобы эффективно его добывать, необходимо совершенствовать технологическую базу. Использовать тепло земли, залегающее на глубине от 2 км, помогают большие геотермальные станции.

Тип геотермального месторождения определяет сложность устройства станций.

Станции могут быть когенеративными (вырабатывать и тепло, и электричество) или же проектироваться под спрос на конкретный вид энергии в том или ином регионе.

Использовать источники тепла, расположенные на глубине до 100 м, помогают тепловые насосы.

С помощью этих агрегатов можно обогревать частные дома, теплицы, государственные учреждения в отдаленных от централизованной системы отопления районах, на окраинах городов, сушки одежды, подогрева дорожного полотна, использовать в SPA-комплексах, и т.д.

Геотермальную энергию используют тремя способами: прямое использование тепла, выработка электроэнергии, когенерация (производство тепла и электричества одновременно).

Прямое использование тепла является наиболее простым и распространенным способом.

Способ производства электричества из геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150 0С).

Геотермальная станция в упрощенной трактовке выглядит следующим образом: горячие подземные воды, или горячий пар, подаются в специальное устройство, где при помощи теплообменника вырабатывается пар, который, в свою очередь, приводит в движение турбину, производящую электричество.

Отдав тепловую энергию, отработанная вода с температурой около 50°C закачивается по трубопроводам обратно в скважину в водоносный слой. Произведённое тепло передаётся далее в магистральную тепловую сеть, электричество – в региональную электросеть.

Геоэнергетика представляет собой три возможных для разработки источника.

Сухая нагретая порода

Способ выработки энергии называется Hot-Dry-Rock (горячий сухой камень), его используют при глубине от 3 до 6 км. Воду под высоким давлением закачивают в сухую скальную породу, расширяют существующие в породе изломы, и создают подземный резервуар пара или горячей воды и используют ее для работы станции.

Термальные источники.

Гидротермальный способ применяют на глубинах от 1.5 до 3 км. Добываемая горячая вода при помощи теплообменников нагревает воду сети теплоснабжения. Зачастую горячие, находящиеся под давлением подземные воды, содержат растворенный метан. Тогда в производстве электроэнергии используют и тепло, и газ.

Магма

Температура магмы (расплавленная масса под корой земли) достигает 1,2 тыс. 0С. Небольшие объемы магмы находятся на доступных глубинах, однако  методы получения энергии из магмы находятся на стадии разработки.

Существует три схемы производства электроэнергии: прямая с использованием сухого пара, непрямая с использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл).

Паровые электростанции работают на гидротермальном пару. Пар вращает турбину, которая питает генератор, производящий электроэнергию.

Первая электростанция такого типа была построена в Лардерелло (Италия) в 1904г, действует и в настоящее время.

Паровая технология используется на электростанции «Гейзерс» в Северной Калифорнии (США), это самая крупная геотермальная электростанция в мире.

Станции на парогидротермах работают при температуре выше 182 °С. Гидротермальный раствор нагнетают в испаритель, полученный пар приводит в действие турбину.

Если в резервуаре остается жидкость, ее выпаривают в следующем испарителе для получения еще большей мощности.

Геотермальные станции с бинарным циклом считаются наиболее перспективными энергетическими объектами.  Они используют геотермы умеренных температур (ниже 200 0С). Горячая вода и вторая, дополнительная жидкость с более низкой точкой кипения, пропускаются через теплообменник.

Тепло геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие турбины. Это замкнутая система, выбросов в атмосферу практически нет. 

Воды умеренной температуры наиболее распространены, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут построены по бинарному принципу.

Геотермальная станция отличается от обычной тепловой тем, что роль испарителя и перегревателя выполняет внутрискважинный вертикальный противоточный теплообменник.

Он расположен в верхней части нагнетательной скважины, в него по наземному трубопроводу подводится добываемая высокотемпературная термальная вода. После передачи тепла вода закачивается обратно в пласт.

Чтобы производить электроэнергию из геотермальных ресурсов инженеры с проектировали технологическую схему, которая состоит из геотермальной циркуляционной системы и паротурбинной установки.

В основе работы паротурбинной установки лежит цикл Ренкина (состоит из четырех операций, таких как испарение жидкости при высоком давлении, расширение пар, его конденсация, увеличение давления жидкости до начального значения).

Устройства станций можно рассмотреть на следующих примерах.

Бинарный цикл

Бинарные станции блочного типа могут иметь мощность от 100 кВт до 12 мВт.

Первой в мире геотермальной станцией с бинарным циклом стала Паратунская ГеоЭС, построенная в 1967г. на Камчатке. мощностью 11 МВт. Построенная предприятием АО «Наука», станция работает до сих пор.

Американская компания Raser Technologies усовершенствовала бинарные технологии. Новая станция, которую построили в Юте, может работать на геотермальных ресурсах с температурой около 80 0С.

В миникотлы станции подается рассол, где при помощи теплообменников доводит до кипения органическую жидкость.

Какую именно, авторы станции не сообщают, но специалисты поясняют, что это один из экологически безвредных хладагентов, обычно применяемых в системах кондиционирования (типа соединения R-22).

Пар крутит турбину, соединённую с генератором. Потом органический состав попадает в конденсатор, где отдаёт атмосфере остатки тепла и снова переходит в жидкое состояние, чтобы опять попасть в котёл-испаритель. Охлаждённый рассол из котла снова закачивается в скважину. Так замыкается цикл.

Она состоит из 50 модулей "котёл-турбина-генератор" с номинальной выходной мощностью 0,25 МВт каждый.

Пиковая мощность станции достигает 14 МВт, но 3-4 МВа уходит на её собственные нужды — работу электрических насосов, перегоняющих рассол и рабочую жидкость.

Потому для внешних потребителей остаётся 10-11 МВт. Точная цифра зависит от погоды — прохладный воздух помогает конденсировать пар и повышает отдачу станции, в жару же её мощность чуть снижается.

Справедливости ради стоит отметить, что работать с низкотемпературным носителем впервые научились в СССР.

Ученые Института теплофизики при Академии наук СССР впервые в мире применили фреон. Горячая вода с температурой в 80 0С нагревала его до кипения.

Под огромным давлением лопатки турбины вращались, вырабатывая электроэнергию. Так устроена Паратунская ГеоТЭС.

Гидротермальные станцияи

В качестве примера станции, которая работает на пару по циклу Ренкина, можно привести ГеоТэс в Нойштат-Глеве. Расход воды в среднем составил от 40 до 120 м³ (11 - 33 литров в секунду).

Содержание солей составило 220 г/л и чтобы трубы не повредила коррозия немецкие инженеры применили специальные армированные стекловолокном трубы на основе эпоксидной смолы.

Максимальная мощность установки составляет 11 МВт тепловой мощности 4,5 МВт из которых даёт геотермальная энергия. 

Мощность установки составляет 210 кВт, что позволяет производить в год около 1,2 млн кВт\ч. Станция обеспечивает геотермальной электроэнергией 500 квартир в Нойштадт-Глеве.

Приоритетом в работе установки является выработка тепла, поэтому электроэнергия вырабатывается только при малом теплопотреблении.

При пиках тепловой нагрузки зимой производство электроэнергии вообще останавливается. 

Для покрытия пиков тепловой нагрузки, в случае резкого понижения температуры, на геотермальных станциях могут быть установлены газовые котлы.

Запасы геотермальной энергии составляют 200 ГВт. Геотермальные ресурсы распределены неравномерно, и основная их часть сосредоточена в районе Тихого океана.

Много энергии сосредоточено в районах разломов в земной коре. Магматическое тепло поднимается из недр Земли практически на поверхность.

Крупных разломов на нашей планете несколько. Один через Камчатку и Японию тянется к Филиппинам, Индонезии и Новой Зеландии. Другой разлом проходит через Калифорнию, Центральную и Южную Америку. На Земле немало мест, где горячая вода и пар выходят на поверхность.

В России крупные геотермальные источники расположены невыгодно с экономической точки зрения. Камчатка, Сахалин и Курильские острова, где сосредоточены основные запасы геотермальных ресурсов, отличаются слабой инфраструктурой, высокой сейсмичностью, малонаселенностью, сложным рельефом местности.

Общие доказанные запасы геотермальной энергии в России оцениваются в 2000 МВт. Ученые и инженеры практики ищут возможности для эффективного использования этих ресурсов.

Инвестиции в строительство Мутновской ГеоТЭС на полуострове Камчатка (РФ) составили более $100 млн.  Мощность станции 62 МВт.

Это целый комплекс из 17 добычных и 6 реинжекционных скважин со средней глубиной в 2,2 тыс. м.

Сами станции расположены на высоте около 800 м над уровнем моря. Более 40% затрат приходится на бурение скважин – чем глубже скважина, тем дороже проект.

Мутновская ГеоТЭС будет расширяться (примерно еще на 50-60 МВт), сейчас она обеспечивает 30% от общей потребности края в электроэнергии. Стоимость электроэнергии для населения Камчатки составляет приблизительно 3 рубля за кВт\ч.

Возведение электростанции Hatch Geothermal Power Plant в штате Юта (США) обошлось в $33 млн. Стоимость электричества для 15 тыс. домов калифорнийского города Анахайма составляет 7,8 цента за кВт ч. Глубина скважин не известна.

Существует мнение, что применение геотермальных вод не может рассматриваться как экологически чистое. На геотермальных станциях пар, вращающий турбину, должен быть конденсирован, что требует источника охлаждающей воды, точно так же как этого требуют электростанции на угле или ядерном топливе.

В результате сброса как охлаждающей, так и конденсационной горячей воды возможно тепловое загрязнение среды. В геотермальных водах нередко содержатся также значительные количества сероводорода — дурно пахнущего газа, опасного в больших концентрациях.

Современные технологии позволяют не извлекать водные ресурсы из земли, а поднимать их, пропускать через систему станции и полностью закачивать обратно в землю.

Потери в трубах из-за коррозии, которая может произойти из-за высокого содержания соли в отработанной воде, так же исключены, если применять современные материалы, к примеру, армированные стекловолокном трубы на основе эпоксидной смолы.

Технологии производства тепла и электричества из геотремальных источников совершенствуются.

Частные компании в самом ближайшем времени запустят массовое строительство быстровозводимых станций (уже сейчас сроки сжаты до одного года). Их энергетика будет дешевой, а производственный процесс экологически безопасным.

В нашей стране большими геотермальными ресурсами обладают Камчатка, Чукотка, Курилы, Приморский край, Западная Сибирь, Северный Кавказ, Краснодарский и Ставропольский края, Калининградская область и в ряде других районах России.

Геотермальные тепловые электростанции (ГеоТЭС) используют в качестве источника энергии естественные парогидротермы, залегающие на глубине до 5 км.

Отрасль интенсивно развивается в США, на Филиппинах, в Мексике, Италии, Японии, России. Самая мощная ГеоТЭС (50 МВт) построена в США — ГеоТЭС Хебер.

ОАО «Наука» (разрабатывает, проектирует и строит геотермальные электростанции, автоматизированные системы управления к ним. Проводит исследования в области использования низкотемпературных геотермальных источников энергии, Россия)

ОАО «Геотерм» (строит и эксплуатирует геотермальные станции, производит и продает электроэнергию, Россия)

Калужский турбинный завод (производит турбины мощностью до 25 МВт, циркуляционные насосы и другое оборудование)

ОМРАТ (поставляет оборудование для бинарных геостанций, Израиль)

UTC (подразделения компании UTC Power и  Carrier выпускают котлы, турбины и генераторы для ГеоТэс, США)

Е.terras AG (строит геотермальные электростанции, Германия)

Geothermie Neubrandenburg GmbH (проектирует установки для использованию геотермальной энергии больших глубин, магистральных теплосетей и подземных геотермических накопителей

Цko Energy (строительство установок для использования геотермальных источников неглубокого залегания, установка тепловых насосов), etc  

http://ru.wikipedia.org/wiki/Геотермальная_энергетика

http://www.voanews.com/russian/2009-04-14-voa16.cfm

http://ust-razvitie.narod.ru/Energy_5.htm

http://www.wewees.ru/article/60/15/

http://www.geothermieprojekte.de/suschnost-geotermalnoi-energii

http://www.ntpo.com/patents_heat/heat_4/heat_51.shtml

http://www.energieforum.ru/ru/vosobnowljaemyje_isstotschniki/geotermalnaja_energija/projekty_germanija/

http://www.swissworld.org/ru/ehkonomika/ehnergetika/geotermalnaja_ehnergija/

http://www.geothermieprojekte.de/pilotnyi-proekt-g-unterhahing/zarozhdenie-proekta/

http://www.energieforum.ru/ru/vosobnowljaemyje_isstotschniki/geotermalnaja_energija/

http://www.geotherm.ru/news.asp

http://www.geotherm.ru/programme.asp

http://www.energieforum.ru/ru/vosobnowljaemyje_isstotschniki/geotermalnaja_energija/proizwoditeli_germanija/

http://www.energieforum.ru/ru/vosobnowljaemyje_isstotschniki/geotermalnaja_energija/proizwoditeli_rossija/

http://www.geothermieprojekte.de/vashi-vozmozhnosti

http://www.research-techart.ru/report/geothermal-

energy.htm?from_adw&gclid=CMaIpM7O25oCFRQSzAodSh2Qqw

Копирайтер: Прохорова Оксана