Для обеспечения города электроэнергией и тепловой энергией какие циклы псу нужно применять

Обновлено: 02.07.2024

Теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) - разновидность тепловой электростанции (ТЭС), которая не только производит электроэнергию, но и является источником тепловой энергии в централизованных системах теплоснабжения (в виде пара и горячей воды, в том числе для обеспечения горячего водоснабжения и отопления жилых и промышленных объектов).

ТЭЦ конструктивно устроена, как конденсационная электростанция (КЭС, ГРЭС).

Главное отличие ТЭЦ от КЭС состоит в возможности отобрать часть тепловой энергии пара после того, как он выработает электрическую энергию.

В зависимости от вида паровой турбины, существуют различные отборы пара, которые позволяют забирать из нее пар с разными параметрами.

Турбины ТЭЦ позволяют регулировать количество отбираемого пара.

Отобранный пар конденсируется в сетевых подогревателях и передает свою энергию сетевой воде, которая направляется на пиковые водогрейные котельные и тепловые пункты.

На ТЭЦ есть возможность перекрывать тепловые отборы пара, в этом случае ТЭЦ становится обычной КЭС.

Это дает возможность работать ТЭЦ по 2 м графикам нагрузки:

тепловому - электрическая нагрузка сильно зависит от тепловой нагрузки (тепловая нагрузка - приоритет);

электрическому - электрическая нагрузка не зависит от тепловой, либо тепловая нагрузка вовсе отсутствует, например, в летний период (приоритет - электрическая нагрузка).

Совмещение функций генерации тепла и электроэнергии (когенерация) выгодно, т. к. оставшееся тепло, которое не участвует в работе на КЭС, используется в отоплении.

Это повышает расчётный КПД в целом (35-43% у ТЭЦ и 30% у КЭС), но не говорит об экономичности ТЭЦ.

Основными же показателями экономичности являются удельная выработка электроэнергии на тепловом потреблении и КПД цикла КЭС.

При строительстве ТЭЦ необходимо учитывать близость потребителей тепла в виде горячей воды и пара, т. к. передача тепла на большие расстояния экономически нецелесообразна.

По типу соединения котлов и турбин теплоэлектроцентрали могут быть:

неблочные (с поперечными связями).

На блочных ТЭЦ котлы и турбины соединены попарно (иногда применяется дубль-блочная схема: 2 котла на 1 турбину).

Такие блоки имеют, как правило, большую электрическую мощность: 100-300 МВт.

Схема с поперечными связями позволяет перебросить пар от любого котла на любую турбину, что повышает гибкость управления станцией.

Однако для этого необходимо установить крупные паропроводы вдоль главного корпуса станции.

Кроме того, все котлы и все турбины, объединённые в схему, должны иметь одинаковые номинальные параметры пара (давление, температуру).

Если в разные годы на ТЭЦ устанавливалось основное оборудование разных параметров, должно быть несколько схем с поперечными связями.

Для принудительного изменения параметров пара может быть использовано редукционно-охладительное устройство (РОУ).

По типу паропроизводящих установок ТЭЦ могут быть:

с паровыми котлами,

с парогазовыми установками,

с ядерными реакторами (атомная ТЭЦ).

Могут быть также ТЭЦ без паропроизводящих установок - с газотурбинными установками.

Поскольку ТЭЦ часто строятся, расширяются и реконструируются в течение десятков лет (что связано с постепенным ростом тепловых нагрузок), то на многих станциях имеются установки разных типов.

Паровые котлы ТЭЦ различаются также по типу топлива:

По типу выдачи тепловой мощности различают турбины:

Обычно имеется 1-2 регулируемых отбора каждого вида.

При этом количество нерегулируемых отборов, используемых для регенерации тепла внутри тепловой схемы турбины, может быть любым (как правило, не более 9, как для турбины Т-250/300-240).

Давление в производственных отборах (номинальное значение примерно 1-2 МПа) обычно выше, чем в теплофикационных (примерно 0,05-0,3 МПа).

Такая турбина не может работать, если нет потребителя пара противодавления.

В похожем режиме могут работать теплофикационные турбины (типа "Т") при полной тепловой нагрузке: в таком случае весь пар уходит в отопительный отбор, однако давление в конденсаторе поддерживается немногим более номинального (обычно не более 12-17 кПа).

Кроме того, выпускаются паровые турбины со смешанным типом отборов:

На ТЭЦ могут одновременно работать турбины различных типов в зависимости от требуемого сочетания тепловых нагрузок.

Помимо пара к вторичным ресурсам относятся также и другие среды технологических процессов, такие как паровой конденсат после технологического оборудования и охлаждающая вода. В 8 случаях из 10 в моей практике низкопотенциальное тепло (НПТ) на предприятиях не используется никак, а только требует дополнительных затрат на утилизацию.

О том, как трансформировать низкопотенциальное тепло в дополнительный источник экономии — эта статья.

Низкопотенциальное тепло: где искать и как использовать

Рисунок 1. Пример организации схемы ступенчатого снижения давления и использования пара разных параметров.

Как использовать это тепло? Все зависит от потребностей и задач, которые есть у вас на предприятии. Вариантов много:

использовать для отопления, подогрева воды для подпитки технологических систем или ее предварительной деаэрации;
возвращать НПТ в технологический цикл и использовать повторно в технологических процессах;
использовать для теплоснабжения объектов, удаленных от источников дешевого топлива;
получать электроэнергию с целью снижения затрат на ее покупку у стороннего поставщика или резервирования питания собственных нужд.

сокращение затрат на топливо и, соответственно, первичную выработку тепла или электроэнергии;
снижение затрат на покупку воды для подпитки технологических циклов, ее обработку в системах водоподготовки и подогрев ее до температур, необходимых по технологическим требованиям;
снижение затрат на подпиточную воду оборотного водоснабжения (испаряется в градирнях);
снижение выбросов СО2 и оксидов азота за счет уменьшения количества сжигаемого топлива.

Технические решения

В настоящее время существует несколько принципиальных технологий для систем утилизации низкопотенциального тепла.

Теплонасосные установки (ТНУ)

В зависимости от принципа работы тепловые насосы подразделяются на компрессионные и абсорбционные. Компрессионные тепловые насосы всегда приводятся в действие с помощью механической энергии (электроэнергии), в то время как абсорбционные тепловые насосы используют для извлечения НПТ тепловые источники более высокого потенциала: горячая вода, пар, отходящие газы, прямое сжигание топлива.

Компрессионные тепловые машины (КТН) в режиме работы тепловых насосов (ТНУ)

Рисунок 2. Принцип действия компрессионного ТН

Абсорбционные тепловые машины в режиме работы тепловых насосов

Принцип действия абсорбционных тепловых насосов основан на способности раствора абсорбента поглощать водяные пары, имеющие более низкую температуру, чем раствор.

Наибольшее распространение получили абсорбционные тепловые машины, в качестве абсорбента использующие раствор бромида лития (LiBr). Установки обеспечивают нагрев воды до температур 60-90°С.

Такие установки могут использоваться в режиме холодильной машины (АБХМ), обеспечивая охлаждение воды (например, технологической) до температур 5-15°С независимо от температуры окружающей среды.

Рисунок 3. Принцип действия АБТМ

Установки с использованием ORC-цикла для получения электроэнергии

Главная отличительная особенность установок на базе органического цикла Ренкина (ORC) — применение органического рабочего вещества вместо водяного пара. Это повышает общий КПД теплового цикла на малых мощностях и при низкой температуре источника тепла по сравнению с классическим паровым циклом, так как температура кипения органического вещества меньше, чем у воды, а с другой стороны — ограничивает их использование на средних и больших мощностях.

Интерес к установкам с ORC значительно усилился с развитием энергетических источников на нетрадиционных видах топлива (отходы деревообработки, биотопливо), так как при их сжигании трудно обеспечить параметры теплоносителя на выходе установки, позволяющие эффективно использовать обычный пароводяной цикл.

Диаграмма 1 . Область эффективного применения установок с ORC-циклом

В настоящее время в рамках повышения энергоэффективности предприятий нефтехимической промышленности и других, применяющих в технологиях пар разных параметров, производится модернизация с заменой редукционно-охладительных установок (РОУ) на противодавленческие турбины. В качестве нижнего предела редуцирования при этом используется пар с давлением, пригодным для целей теплоснабжения. Однако потребление тепловой энергии на отопление носит сезонный характер и ограничивает возможности выработки электроэнергии турбин с противодавлением, снижая и экономическую эффективность. Применение ORC-установок позволило бы уйти от сезонной неравномерности и служить дополнительной поддержкой электропитания собственных нужд.

В последнее время указанные выше технологии все чаще используются в различных сочетаниях между собой. Например, когенерация — соединение установок выработки электроэнергии, в том числе с ORC-циклом, и оборудования для получения тепловой энергии нужных для потребителя параметров за счет утилизации низкопотенциального тепла тепловыми насосами.

Системы сбора и возврата конденсата на производственных предприятиях

Тепловая энергия, содержащаяся в конденсате пара после его использования в технологических цепочках предприятия должна максимально возвращаться для последующего использования. При этом сам конденсат — отличный источник для подпитки паровых технологических контуров энергопроизводящих установок, снижающий необходимость подготовки дополнительной воды.

Основные задачи при проектировании и эксплуатации систем утилизации низкопотенциального тепла

Увязать между собой имеющиеся источники НПТ и потребителей, варианты их использования с учетом потребностей на конкретном предприятии, обеспечив при этом экономическую эффективность проекта — сложная инженерная задача. Для ее решения разработка системы утилизации должна включать следующие этапы:

проведение предпроектного обследования энергетической системы (сбор данных и составление энергетических балансов, инструментальное обследование),
моделирование технологических процессов установок, эксплуатация которых приводит к максимальным энергетическим потерям (математическое моделирование, пинч-анализ),
анализ ресурсных ограничений при использовании НПТ, разработка вариантов и выбор оптимальных решений,
анализ экономических ограничений при использовании НПТ в условиях данного предприятия и разработка ТЭО.

Будущее технологии в России

Однако практика показывает, что эффективная экономика проекта — это всегда вопрос индивидуального подхода и ответственного отношения исполнителя к проектированию системы и подбору оптимального оборудования и комплектующих. К тому же, сроки окупаемости сегодня рассчитываются исходя из действующих тарифов на энергоносители, тогда как грядущая либерализация тарифов на тепловую энергию, скорее всего, приведет к резкому росту энергетической составляющей в затратах предприятий.

Меньше других эта ситуация затронет те компании, которые уже сейчас начинают оптимизировать энергозатраты, в частности, благодаря повторному использованию низкопотенциального тепла.

Ухудшение экологии и истощение природных ресурсов заставляет задумываться о том, как получать электричество и тепло из возобновляемых источников.

В этой статье рассказываем, как работает альтернативная энергия и почему многие страны делают выбор в её пользу.

Что такое альтернативная энергия?

Энергия бывает возобновляемой (альтернативной) и невозобновляемой (традиционной).

Невозобновляемые источники – это нефть, природный газ и уголь. Им ищут замену, потому что они могут закончиться. Ещё их использование связано с выбросом углекислого газа, парниковым эффектом и глобальным потеплением.

Человечество получает энергию, в основном за счёт сжигания ископаемого топлива и работы атомных электростанций. Альтернативная энергетика – это методы, которые отдают энергию более экологичным способом и приносят меньше вреда. Она нужна не только для промышленных целей, но и в простых домах для отопления, горячей воды, освещения, работы электроники.

Ресурсы возобновляемой энергии

Солнечный свет
Водные потоки
Ветер
Приливы
Биотопливо (топливо из растительного или животного сырья)
Геотермальная теплота (недра Земли)

Альтернативные виды энергии

1. Солнечная энергия

Один из самых мощных видов альтернативных источников энергии. Чаще всего её преобразуют в электричество солнечными батареями. Всей планете на целый год хватит энергии, которую солнце посылает на Землю за день. Впрочем, от общего объёма годовая выработка электроэнергии на солнечных электростанциях не превышает 2%.

Солнечное электричество распространено там, где оно дешевле обычного: отдалённые обитаемые острова и фермерские участки, космические и морские станции. В тёплых странах с высокими тарифами на электроэнергию, оно может покрывать нужны обычного дома. Например, в Израиле 80% воды нагревается солнечной энергией.

Батареи также устанавливают на беспилотные автомобили, самолёты, дирижабли, поезда Hyperloop.

2. Ветроэнергетика

Запасов энергии ветра в 100 раз больше запасов энергии всех рек на планете. Ветровые станции помогают преобразовывать ветер в электрическую, тепловую и механическую энергию. Главное оборудование – ветрогенераторы (для образования электричества) и ветровые мельницы (для механической энергии).

Этот вид возобновляемой энергии хорошо развит – особенно в Дании, Португалии, Испании, Ирландии и Германии. К началу 2016 года мощность всех ветрогенераторов обогнала суммарную установленную мощность атомной энергетики.

Недостаток в том, что её нельзя контролировать (сила ветра непостоянна). Ещё ветроустановки могут вызывать радиопомехи и влиять на климат, потому что забирают часть кинетической энергии ветра – правда, учёные пока не знают хорошо это или плохо.

3. Гидроэнергия

Чтобы преобразовать движение воды в электричество нужны гидроэлектростанции (ГЭС) с плотинами и водохранилищами. Их ставят на реках с сильным потоком, которые не пересыхают. Плотины строят для того, чтобы добиться определённого напора воды – он заставляет двигаться лопасти гидротурбины, а она приводит в действие электрогенераторы.

Строить ГЭС дороже и сложнее относительно обычных электростанций, но цена электричества (на российских ГЭС) в два раза ниже. Турбины могут работать в разных режимах мощности и контролировать выработку электричества.

4. Волновая энергетика

Есть много способов генерации электричества из волн, но эффективно работают только три. Они различаются по типу установок на воде. Это камеры, нижняя часть которых погружена в воду, поплавки или установки с искусственным атоллом.

Такие волновые электростанции передают кинетическую энергию морских или океанических волн по кабелю на сушу, где она на специальных станциях преобразуется в электричество.

Этот вид используется мало – 1% от всего производства электроэнергии в мире. Системы тоже дорогие и для них нужен удобный выход к воде, который есть не у каждой страны.

5. Энергия приливов и отливов

Эту энергию берут от естественного подъёма и спада уровня воды. Электростанции ставят только вдоль берега, а перепад воды должен быть не меньше 5 метров. Для генерации электричества строят приливные станции, дамбы и турбины.

Приливы и отливы хорошо изучены, поэтому этот источник более предсказуем относительно других. Но освоение технологий было медленным и их доля в глобальном производстве мала. Кроме того, приливные циклы не всегда соответствуют норме потребления электричества.

6. Энергия температурного градиента (гидротермальная энергия)

Морская вода имеет неодинаковую температуру на поверхности и в глубине океана. Используя эту разницу, получают электроэнергию.

Первая установка, которая даёт электричество за счёт температуры океана была сделана ещё в 1930 году. Сейчас есть океанические электростанции закрытого, открытого и комбинированного типа в США и Японии.

7. Энергия жидкостной диффузии

Это новый вид альтернативного источника энергии. Осмотическая электростанция, установленная в устье реки, контролирует смешение солёной и пресной воды и извлекает энергию из энтропии жидкостей.

Выравнивание концентрации солей даёт избыточное давление, которое запускает вращение гидротурбины. Пока есть только одна такая энергетическая установка в Норвегии.

8. Геотермальная энергия

Геотермальные станции берут внутреннюю энергию Земли – горячую воду и пар. Их ставят в вулканических районах, где вода у поверхности или добраться до неё можно пробурив скважину (от 3 до 10 км.).

Извлекаемая вода отапливает здания напрямую или через теплообменный блок. Ещё её перерабатывают в электричество, когда горячий пар вращает турбину, соединённую с электрогенератором.

Недостатки: цена, угроза температуре Земли, выбросы углекислого газа и сероводорода.

Больше всего геотермальных станций в США, Филиппинах, Индонезии, Мексике и Исландии.

9. Биотопливо

Биоэнергетика получает электричество и тепло из топлива первого, второго и третьего поколений.

Первое поколение – твёрдое, жидкое и газообразное биотопливо (газ от переработки отходов). Например, дрова, биодизель и метан.
Второе поколение – топливо, полученное из биомассы (остатков растительного или животного материала, или специально выращенных культур).
Третье поколение – биотопливо из водорослей.

Биотопливо первого поколения легко получить. Сельские жители ставят биогазовые установки, где биомасса бродит под нужной температурой.

Самый традиционный способ и древнейшее топливо – дрова. Сейчас для их производства сажают энергетические леса из быстрорастущих деревьев, тополя или эвкалипта.

Плюсы и минусы альтернативной энергии

Главная перспектива альтернативных источников – существования человечества даже в условиях жёсткого дефицита нефти, газа и угля.

Преимущества:

Доступность – не нужно обладать нефтяными или газовыми месторождениями. Правда, это относится не ко всем видам. Страны без выхода к морю не смогут получать волновую энергию, а геотермальную можно преобразовывать только в вулканических районах.
Экологичность – при образовании тепла и электричества нет вредных выбросов в окружающую среду.
Экономия – полученная энергия имеет низкую себестоимость.

Недостатки и проблемы:

Траты на этапе строительства и обслуживание – оборудование и расходные материалы дорогие. Из-за этого повышается итоговая цена электроэнергии, поэтому она не всегда оправдана экономически. Сейчас главная задача разработчиков снизить себестоимость установок.
Зависимость от внешних факторов: невозможно контролировать силу ветра, уровень приливов, результат переработки солнечной энергии зависит от географии страны.
Низкий КПД и маленькая мощность установок (кроме ГЭС). Вырабатываемая мощность не всегда соответствует уровню потребления.
Влияние на климат. Например, спрос на биотопливо привёл к сокращению посевных площадей для продовольственных культур, а плотины для ГЭС изменили характер рыбных хозяйств.

Возобновляемая энергия в мире

Главный потребитель возобновляемых источников энергии – Евросоюз. В некоторых странах альтернативная энергетика вырабатывает почти 40% от всей электроэнергии. Там уже прижились разные меры поддержки: скидочные тарифы на подключение и возврат денег за покупку оборудования. Не отстают страны Востока и США.

Германия

40% электроэнергии в Германии дают возобновляемые источники. Она лидер по числу ветровых установок, которые генерируют 20,4 % электричества. Оставшаяся доля приходится на гидроэнергетику, биоэнергетику и солнечную энергетику. Немецкое правительство поставило план: вырабатывать 80% энергии за счёт альтернативных источников к 2050 году, но закрывать атомные электростанции пока не хочет.

Исландия

У Исландии очень много горячей воды, потому что она расположилась в зоне вулканической активности. Страна обеспечивает 85% домов отоплением из геотермальных источников и покрывает ими 65% потребностей населения в электроэнергии. Мощность источников настолько велика, что они хотят наладить экспорт энергии в Великобританию.

Швеция

После нефтяного кризиса 1973 года страна стала искать другие источники энергии. Началось всё с ГЭС и АЭС. Из-за атомных станций шведов часто критиковали Greenpeace, но с конца 80-х доля энергии от АЭС не растёт.

Начиная с 90-х Швеция строит оффшорные ветропарки в море. На выбросы предприятиями углерода в атмосферу введён дополнительный налог, а для производителей ветровой, солнечной и биоэнергии есть льготы.

Ещё Швеция активно использует энергию от переработки мусора и даже планирует его закупать у соседних стран, чтобы отказаться от нефти. Некоторые города получают тепло от мусоросжигательных заводов.

Китай

Крупнейшие ветровые ресурсы тоже здесь (три четверти из них поставлены в море). К 2020 году страна планирует выработать при их помощи 210 ГВт.

Ещё тут 2 700 геотермальных источников и делают 63% устройств для преобразования солнечной энергии. Китай занимает третье место в производстве биотоплива на основе этанола.

Об авторе: Григорий Аронович Шехтман – доктор технических наук, геолог-геофизик, лауреат Государственной премии СССР.

Схема обогрева жилого строения за счет использования тепла земли с помощью теплообменника и рабочей жидкости,которая нагревается землей и обогревает дом. Рисунок Михаила Митина

Два источника тепла известны на Земле – солнечное тепло и внутреннее (геотермальное) тепло планеты. В отличие от солнечной энергии и энергии ветра источники энергии, использующие подземное тепло, от погоды не зависят, и в этом состоит их бесспорное преимущество. Существенно, что развитие геотермальной энергетики возможно везде, так как рост температуры с глубиной наблюдается повсеместно. В среднем температура с глубиной растет на 3 градуса по Цельсию на каждые 100 метров. По некоторым оценкам, геотермальные ресурсы на территории России в пересчете на тонны условного топлива в 10 раз превышают запасы органического топлива.

Формирование и перенос тепловой энергии

Наибольшее количество энергии Земля получает от Солнца, однако значительная ее часть теряется в атмосфере. Средняя величина потока солнечного тепла, достигающего поверхности Земли на континентах, несколько меньше потока тепла из недр Земли. Основная часть потока солнечной энергии через атмосферу излучается в космическое пространство, и лишь малая ее часть проникает на глубину, измеряемую метрами. Тепловой поток через единицу площади земной поверхности определяется произведением градиента температуры (измеряют внутри среды и в придонных частях океана) на коэффициент теплопроводности (измеряют на образцах горных пород или в условиях естественного залегания).

Тепловое поле Земли прямо или косвенно связано с протеканием тектонических процессов в земных недрах. Распределение теплового потока в континентальных и океанических областях находится в тесной корреляции с основными геологическими структурами. На континентах минимальные значения теплового потока характерны для щитов. Повышенным тепловым потоком характеризуются орогенические регионы и области третичных вулканов. Для океанических хребтов характерны значительные вариации теплового потока при большом его среднем значении, которое становится ниже среднего на крыльях этих хребтов. В океанических котловинах тепловой поток невелик, а наименьшие его значения отмечаются в глубоководных желобах.

Большая часть тепла из земных недр достигает поверхности Земли посредством теплопроводности горных пород (кондуктивный перенос тепла), а при высоких температурах имеет место перенос тепла посредством лучеиспускания (лучистого переноса), а также при помощи экситонов (атомов, возбужденных радиацией), которые увеличивают теплоперенос. Существует также гипотеза о наличии тепловой конвекции в Земле, которая в условиях жидкой среды позволяет перенести вверх большое количество тепла даже при небольшом температурном градиенте. Конвекция в верхней мантии является причиной направленных вверх течений разогретых жидкостей с малой плотностью (магм и гидротермальных растворов).

Установленное практическое равенство средних тепловых потоков на континентах и в океанах оказалось неожиданным в свете устоявшегося взгляда на радиоактивный распад как один из основных источников энергии теплового потока. Дело в том, что в области континентов, содержащих мощный гранитный слой, тепловой поток должен был бы превышать тепловой поток через дно океана, где кора тоньше, а гранитный слой практически отсутствует. Согласно одной из гипотез, под океанами и континентами находится примерно одинаковое количество радионуклидов, причем большая их часть сконцентрирована в коре континентальных регионов, а под океанами основная их часть находится в верхней мантии. Этим и объясняется равенство тепловых потоков.

Источники геотермальной энергии

Источниками геотермальной энергии чаще всего служат природные горячие воды или пар, которые могут применяться для непосредственного обогрева зданий либо для получения электрической энергии. Использование тепловых энергетических ресурсов ограничивается геологическими факторами, поскольку необходимые условия для эксплуатации этих ресурсов практически имеются только в вулканически активных районах.

Хрестоматийным примером стала Исландия – страна, не имеющая горючих ископаемых. Она, однако, расположена исключительно удачно с точки зрения использования геотермальной энергии, поскольку ориентирована вкрест простирания Срединно-Атлантического хребта в районе активного разрастания морского дна. На территории, ограниченной полосой 100-километровой ширины и включающей данный хребет, периодически происходят излияния лав из трещин и центральных жерл. Термальные флюиды, нагревающиеся на контакте с лавами на глубине нескольких километров до 200–300 градусов по Цельсию, улавливаются вблизи земной поверхности и используются для производства электроэнергии. Кроме того, они направляются по трубам в Рейкьявик для подачи тепла в здания и оранжереи. В 1957 году этот город стал первой в мире столицей без котельных и дымовых труб. Уже к 1975 году 2/3 населения этой страны пользовались геотермальной энергией. Сегодня 90% домов в Исландии обогреваются за счет горячих вод, поступающих из геотермальных источников. Эти же источники обеспечивают 30% выработки электроэнергии. Горячая вода поступает прямо в трубы из скважин глубиной 200–2000 м. В Рейкьявике дороги и тротуары всегда свободны от снега, поскольку они подогреваются от проложенных под ними труб с горячей водой.

Современная мощность подземной теплогенерации превосходит космические тепловые потери Земли, которая продолжает разогреваться. Поэтому использование человечеством какой-то части геотермальной энергии безвредно для нашей планеты.

Геотермальные ресурсы разделяют на гидротермальные, предполагающие использование подвижных теплоносителей – природного пара, термальных вод и пароводных смесей, и петрогеотермальные, в которых используют энергию горячих твердых пород и их расплавов, которая может быть извлечена в их теплообмене с техногенным подвижным теплоносителем.

Гидротермальные теплоносители использовали еще в каменном веке, когда стоянки людей располагали вблизи геотермальных источников, которые использовали для варки пищи и лечебных целей. Римские патриции принимали лечебные ванны и отдыхали в природных геотермальных бассейнах. Первая в мире геотермальная скважина была с целью добычи борной кислоты пробурена в 1827 году выходцем из Франции Франческо Лардерелом. Поднимающийся из земных недр пар использовали здесь несколько столетий назад для получения содержащейся в нем борной кислоты. Существенно, что в этом районе нет вулканов, наблюдаются лишь фумаролы. Причина же термальной активности состоит в молодом интрузивном теле, расположенном на значительной глубине. Первая геотермальная электростанция (ГеоТЭС) в этом районе стала вырабатывать самую дешевую в мире электроэнергию, которая в 4–5 раз дешевле, чем на топливных энергоустановках. Вслед за Италией создание ГеоТЭС началось и в других странах. В настоящее время общая мощность таких станций в 25 странах на природном паре составляет 12 млн кВт.

В России, как и в подавляющем большинстве стран, гораздо шире используют термальные воды не для электроэнергетики, а для теплоснабжения промышленных, коммунальных и сельскохозяйственных объектов. Общая тепловая мощность не менее чем 60 стран, использующих геотермальное теплоснабжение, составляет около 25 гВт. Использование геотермальных вод в теплоснабжении обходится как минимум в 1,5–2 раза дешевле топлива. В России геотермальные технологии успешно применяют в Дагестане, Чечне, Ставропольском и Краснодарском краях, Забайкалье, Омской области и др.

В России на глубине 4–6 км массивы горных пород с температурой 100–150 градусов по Цельсию распространены почти повсеместно, а с температурой 180–200 градусов – на довольно значительной части страны. Этих температур достаточно для отопления и горячего водоснабжения разных категорий потребителей. Производство электроэнергии на базе глубинного тепла Земли возможно при температуре не менее 250 градусов по Цельсию при извлечении его с глубины около 10 км, а в зонах аномально высоких температур – с меньших глубин.

Считается, что геотермальная энергетика является технологически менее емкой по сравнению с ветряной и солнечной, так как системы ГеоТЭС достаточно просты. При извлечении тепла Земли с недостаточными для прямого использования в паровой турбине температурами используют бинарные схемы с низкокипящими жидкостями. В этих схемах горячая термальная вода взаимодействует с другой (рабочей) жидкостью, имеющей более низкую температуру кипения. Обе жидкости пропускают через теплообменник, где термальная вода выпаривает рабочую жидкость, пары которой вращают турбину. До сих пор работающая на Камчатке Паратунская станция мощностью 600 кВт, построенная в 1960-х годах, стала первой в мире станцией с бинарным циклом. Она позволила извлекать электроэнергию из воды с температурой от 700 градусов и стала прототипом для более 400 бинарных станций в мире.

За рубежом технологии извлечения тепла из горячих сухих подземных коллекторов получили название Hot Dry Rock (HDR-технологии), их успешно используют для отопления и кондиционирования воздуха во Франции, США, Японии, Германии и в десятках других стран.

Суть HDR-технологии состоит в следующем. Бурят 2–3 скважины до глубин с температурами, необходимыми для теплоснабжения или производства электроэнергии. Одна скважина нагнетательная и служит для подачи воды под давлением в зону нагрева, а другие скважины – эксплуатационные, по ним образовавшийся пар с необходимой температурой поступает на поверхность. Если естественная проницаемость пород разогретого массива недостаточна, то для образования в нем полости осуществляют гидроразрыв. Образовавшиеся в результате гидроразрыва трещины поддерживаются в раскрытом состоянии гидростатическим давлением жидкости.

Петротермальная энергетика активно развивается в США, Швейцарии, Великобритании и Японии.

Экологические проблемы

В геотермальных технологиях имеется существенный недостаток: опасность сброса отработанного флюида в водоемы и реки. Чем больше глубина пласта-коллектора, тем выше минерализация геотермальных вод, интенсивность отложения солей и коррозии в скважинах и трубопроводах. Природный пар и пароводяная смесь также содержат агрессивные примеси, опасные для окружающей среды. Кроме вредных выбросов, снижение пластового давления при дренаже чревато деформациями покрывающей толщи, приводящими к провалам земной поверхности. Экологические проблемы решаются путем использования реинжекции отработанного геотермального теплоносителя в тот же коллектор или иной проницаемый пласт. Но для этого необходимы отдельные непродуктивные скважины, в которые нагнетают охлажденный поток. Это приводит к существенному удорожанию геотермальной технологии.

Вездесущий гидроразрыв

В слабопроницаемых горячих массивах гидроразрыв способен создать искусственный геотермальный коллектор в виде обширных вертикальных трещин. Первая в мире геотермальная система с гидроразрывом была в 1977 году создана по проекту Лос-Аламосской национальной лаборатории. При этом был продемонстрирован фонтан пара из практически непроницаемого массива горячих гранодиоритов. Вслед за США аналогичные исследования были проведены в Великобритании, ФРГ, Японии, Франции, России и Швеции. В 1995 году Японский институт электроэнергетики обнародовал проект, в котором предусматривалось бурение трех скважин с переходом на глубине 2 км в горизонтальные стволы в граните при температуре 2500 градусов. На этой глубине через каждые 25 м скважины пересекали вертикальные трещины гидроразрыва высотой 2 км. Расчетная стоимость электроэнергии составила величину, в 1,5–2 раза меньшую, чем газовой ТЭЦ или АЭС.

Геотермальные тепловые насосы

За рубежом эти устройства известны под названием GHP (geothermal heat pump). Они рассчитаны на использование низкопотенциального тепла Земли, не требующего, подобно глубинным гидротермальным источникам, особых условий для формирования высокотемпературного, или высокопотенциального, теплового поля.

Практическое применение тепловой насос получил в 1940-х годах, когда изобретатель Роберт Вебер догадался использовать тепло, выходящее из морозильной камеры, для нагрева воды и отопления помещений. Затем у него появилась идея добывать тепло из верхних слоев Земли, где температура не слишком изменялась в течение года. Для этого он поместил в грунт змеевик в виде медных труб, по которым циркулировал фреон, собиравший тепло Земли. Газ конденсировался, отдавая свое тепло дому, а затем снова проходил через змеевик, собирая очередную порцию тепла. Теплый воздух распространялся по дому при помощи вентилятора.

В настоящее время применяют два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли: открытые системы, в которых источником тепловой энергии служат грунтовые воды, и замкнутые системы, в которых теплообменники расположены в грунтовом массиве.

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовую воду из водоносных слоев и возвращать ее обратно в те же слои. Обычно для этого используют парные скважины. Достоинство открытых систем – возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако при этом требуются достаточная водопроницаемость грунта и хороший химический состав грунтовых вод. Эти системы используют для тепло- и холодоснабжения крупных зданий. Пример применения такой системы мощностью около 10 МВт – гостиничный комплекс в г. Луисвилле (штат Кентукки, США).

При циркуляции теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой в замкнутой системе происходит отбор тепла от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса. А если теплоноситель имеет повышенную относительно грунта температуру, то происходит его охлаждение.

Читайте также: