Геотермальная энергия

Геотермальная энергия

Введение

Геотермальная энергия вырабатывается за счет использования тепла, скрытого под поверхностью земли. Для получения электричества с помощью геотермальной энергии в зависимости от температуры, глубины источника и качества воды и пара в данной области, применяются электростанции трех разных типов: на сухом пару, с непосредственным подключением к высокотемпературным источникам и с бинарным циклом. Во всех случаях сконденсировавшийся пар и остатки геотермальных вод закачиваются обратно под землю для получения дополнительного тепла.

Использование геотермальной энергии предлагает целый ряд преимуществ по сравнению с источниками энергии, основанными на традиционных ископаемых видах топлива. С экологической точки зрения, извлекаемая энергия является чистой и безопасной для окружающей среды. Эта технология также является сбалансированной, поскольку горячая вода, используемая в геотермальном процессе, закачивается обратно под землю для получения дополнительного объема пара. Кроме того, на работу геотермальных электростанций не влияют погодные условия. Геотермальная энергия подается непрерывно, днем и ночью, обеспечивая мощность для базисной нагрузки.

1.Источники высокопотенциальной теплоты на геотермальной электростанции и особенности геотермального теплоносителя

Постоянный рост цен на органическое топливо, уменьшение его запасов и, наконец, угроза глобального потепления диктуют необходимость максимального использования местных возобновляемых источников энергии, и в первую очередь, геотермальных энергетических ресурсов для тепло- и электроснабжения как небольших поселков, так и крупных городов.

Геотермальная энергия представляет для нашей страны особый интерес, так как, с одной стороны, запасы тепла земли в России достаточно велики, а с другой стороны - ряд регионов России имеют серьезные проблемы с энергообеспечением. Многие из них могут быть практически полностью обеспечены теплом и электроэнергией за счет собственных геотермальных ресурсов.

Геотермальные запасы - уникальный дар природы, который может комплексно использоваться как для энергообеспечения, так и для развития промышленности, сельского хозяйства особенно жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и существенного улучшения жизни людей (геотермальные ресурсы могут быть использованы в бальнеологии, тепличном хозяйстве, для разведения рыбы и др.)

Сегодня практически во всех странах мира, где имеются запасы геотермального теплоносителя с температурой более 30С, активно развивается геотермальная тепло - и электроэнергетика.

В последнее десятилетие мировые объемы использования геотермальных ресурсов значительно увеличились. По данным Международной геотермальной ассоциации к началу 2005 г. Установленная мощность всех геотермальных электрических станций, т.е. предприятий, производящих электрическую энергию (будем в дальнейшем для краткости называть их ГеоЭС), составила более 10 ГВт, а мощность геотермальных тепловых станций (ГеоТС) достигла 20ГВт, что соответственно на 46,3 и 42,7% больше, чем в 1995 г.

Источником и электрической, и тепловой энергии на ГеоЭс и ГеоТС является геотермальный теплоноситель - пар (перегретый или влажный) или горячая вода, которые под давлением поступают на поверхность Земли с глубины 500-3000 м. Геотермальный теплоноситель, поступающий из недр Земли, существенно отличается по своему составу и термодинамическим параметрам от водяного пара, который используется на традиционных тепловых и атомных электростанциях. В первую очередь, это определяется характеристиками геотермального резервуара.

Геотермальный резервуар - «энергетический котел», содержащий геотермальный теплоноситель, образованный вследствие нагрева подземных и поступивших с земной поверхности метеоритных вод за счет тепла ядра Земли. Свойства геотермального теплоносителя, который поступает к установкам для выработки электроэнергии и тепла, в значительной мере определяются процессами, сопровождающими его подъем из геотермального резервуара по продуктивным скважинам, через скважинную арматуру и систему подготовки пара (трубопроводы; арматуру; сепараторы; расширители и др.).

Геотермальный теплоноситель образуется в резервуаре в процессе тепло- и массообмена подземных вод с горными породами. Этот процесс взаимодействия сопровождается растворимыми химическими соединениями, так и твердыми примесями, а также газами, содержащимися в этих породах.

Подвод тепла геотермального теплоносителя происходит от ядра Земли, температура в центре которого достигает 5000-6000 оС. Ранее считалось, что ядро - твердое вещество, состоящее из железа. Современные ученые все чаще приходят к выводу, что в центре Земли идет активная термоядерная реакция, сопровождающаяся выделением огромного, практически неиссякаемого, количества тепла. В то же время поверхность Земли основное количество тепла (до 95%) получает от Солнца и лишь менее 5% - за счет теплопроводности мантии, мезосфера, астеносферы, литосферы и земной коры от собственного «ядерного реактора». Тепло выделяется вследствие радиоактивного распада веществ в земном ядре, средний радиус которого равен 3500 км, т.е. составляет половину радиуса Земли. Количество этого тепла столь велико, что оно вызывает плавление горных пород мантии. Мантия является источником богатых газами огненно-жидких пород (магмы), которые извергаются действующими вулканами. Земная кора толщиной 32-35 км. Значительно тоньше лежащего под ней слоя - мантии, простирающей примерно на 2900 км к горячему жидкому ядру. Именно в земной коре и происходит взаимодействие глубинного тепла Земли с дождевой или как ее называют метеоритной водой, проникающей естественным образом из атмосферы сквозь грунт и горные породы в глубь геотермально резервуара.

Земная кора имеет ряд внутренних разломов, благодаря которым расплавленная магма подходит на достаточно близкое расстояние к земной поверхности и даже выходит на поверхность (вулканические выбросы). Именно через эти разломы и поступает высокопотенциальное тепло Земли к ее поверхности, и уже на глубине 3-6 км температура пород может достигать 500-700 оС.

В земной коре в местах внутренних разломов могут образовываться зоны, в которых происходит интенсивный теплообмен между горячими горными породами и водяными резервуарами (горные породы, обладающие высокой проницательностью и большой пористостью, в порах которых и содержится метеоритная вода). Эти резервуары под земной поверхностью можно назвать тепловыми «мешками». Поскольку такие «мешки» обычно герметичны, горячая вода и пар в них оказываются под большим давлением, а температура этих сред превышает температуру кипения воды на поверхности земли.

Зона постоянного, практически стационарного процесса теплообмена между метеоритной водой и горячими горными породами и есть геотермальный резервуар. Естественно, что во время контакта воды с горными породами происходит не только процесс теплообмена, но и процесс массопереноса, т.е. механическое и физико-химическое взаимодействия воды с минералами, содержащимися в горных породах.

Геотермальные резервуары имеют сложную трехмерную пространственную форму и характеризуются, кроме геометрических размеров, значением теплового потока, проницаемостью, пористостью, плотностью, теплоемкостью горных пород, направлением перетока воды, типом подпитки резервуара (удаленность от озер, морей и океанов) и др.

В местах тектонических разломов горячая вода и пар выходят на поверхность в виде гейзеров и горячих источников. В других районах воспользоваться теплом подземных вод значительно сложнее, поскольку горячая вода залегает на глубине более 3000 м, что требует дополнительных затрат на бурение скважин.

Для получения пара или пароводяной смеси (ПВС) в промышленных масштабах в горной породе бурят продуктивную скважину и устанавливают устьевую задвижку.

Основные внутренние разломы Земли, из которых можно получить высокопотенциальный геотермальный теплоноситель, находятся на побережьях Тихого океана: Камчатка - Курильские острова - Япония - Филиппины - Индонезия - Новая Зеландия и Канада - США - Латинская Америка - Южная Америка (Чили, Боливия, Перу), которые образовали так называемое «Огненное кольцо».

Большинство геотермальных резервуаров являются частями больших геотермальных систем, которые по температуре производимого горячего теплоносителя условно можно разделить на три группы:

низкотемпературные (менее 125 оС);

среднетемпературные (125 - 225 оС);

высокотемпературные (более 225 оС).

Зная значения теплового потока, характеристики горных пород и геотермального теплоносителя, можно идентифицировать геотермальный резервуар в каждой из вышеперечисленных групп. Почти все резервуары могут быть использованы для строительства ГеоЭС небольшой мощности (до 50 МВт) и получения тепла, и лишь менее 10% разведанных на сегодняшний день резервуаров могут использоваться для строительства ГеоЭС мощностью более 50 МВт. Лишь несколько геотермальных полей в мире могут обладать энергетическим потенциалом 800-1000МВт. Так, например, на геотермальном поле Сьерро-Прието (Мексика) построено несколько электростанций общей установленной мощностью боле 600МВт.

По агрегатному состоянию геотермального теплоносителя месторождения можно классифицировать следующим образом:

месторождения сухого пара - ресурсы сравнительно легко осваиваются, но встречаются крайне редко;

месторождения влажного пара - распространены в большей степени. При их освоении возникают проблемы, связанные с коррозией и образованием твердых отложений в оборудовании ГеоЭС;

сухие горячие горные породы - ресурсы большие, однако технология использования находится на ранней стадии освоения. Можно предполагать, что при использовании этой технологии будет получен геотермальный теплоноситель с небольшим содержанием примесей и газов.

В геотермальном резервуаре происходит не только нагрев воды, но и активное ее насыщение различными примесями, минералами, солями и газами. Поэтому геотермальный теплоноситель - многофазная и многокомпонентная среда, которая образуется в геотермальном резервуаре в результате взаимодействия воды с минералами, находящимися в горных породах.

Важной особенностью геотермального теплоносителя также является наличие большое количества неконденсирующихся газов. Концентрация неконденсирующихся газов в геотермальных месторождениях обычно составляет 0,1 -5% массы теплоносителя, однако существуют месторождения, где в паре содержится до 20%.

Неконденсирующиеся газы влияют на процессы расширения пара в турбинах и образуют коррозионно-активные соединения.

Геотермальные теплоносители разных месторождений, входящих в одну и ту же группу классификаций по агрегатному состоянию, могут значительно различаться по химическому составу.

Теплоносители также различаются

по степени минерализации

а) ультрапресные (содержание примесей до 100 мг/л);

б) пресные (100-1000 мг/л);

в) повышенно-минерализованные (1000-10000 мг/л);

г) полурассольные (10000-50000 мг/л);

д) рассольные (свыше 50000 мг/л);

а) очень мягкие (до 1,5 мг-экв/л);

б) мягкие (1,5-3,0 мг - экв\л);

в) средней жесткости (5,0-6,0 мг-экв/л);

г) жесткие (6,0-12,0 мг-экв/л);

д) очень жесткие (свыше 12,0 мг-экв/л);

по массовой газонасыщенности

а) слабые (менее 0,1%);

б) средние (0,1-2,0%);

в) высокие (более 2,0%)

Минерализация вод различных геотермальных месторождений обычно колеблется в пределах 2-500 г.\л.

В зависимости от газового состава геотермальные воды подразделяются на сероводородно-углекислые, углекислые, азотно-углекислые, азотные и метановые.

Геотермальный теплоноситель из подземного резервуара самопроизвольно поступает на земную поверхность по стволу продуктивной скважины, глубина которой может варьироваться от 500 до 3000 м. Обычно давление в пласте резервуара не более гидростатического давления в оды в стволе только что пробуренной скважины. В процессе подъема горячего геотермального теплоносителя из резервуара вверх по стволу продуктивной скважины его давление уменьшается, поэтому происходят вскипание воды ее испарение с образованием влажного насыщенного, а иногда и перегретого пара.

2.Технологический процесс получения электроэнергии на ГеоЭС

Источником получения электроэнергии и тепла на ГеоЭС является горячий геотермальный теплоноситель (пар), покидающий скважину с давлением несколько атмосфер и температурой несколько сотен градусов. Этот пар является «бесплатным» в том смысле, что для его получения не затрачивается теплота других источников, например, органического топлива или ядерного горючего, а также энергия на его сжатие. Особенностями первичного геотермального пара являются высокая влажность, чрезвычайная насыщенность примесями, в том числе и агрессивными, и наличие большого количества неконденсирующихся газов. Направлять такой пар в паровую турбину недопустимо, так как она очень быстро выйдет из строя из-за капельной эрозии и коррозии. Поэтому этот пар направляют в ряд устройств для того, чтобы получить перед паровой турбиной пар таких же кондиций, как и на традиционных ТЭЦ.

Из полученного из скважины пара путем сепарации удаляется влага, он промывается для удаления агрессивных примесей, вновь сепарируется и только после этих операций направляется в паровую турбину. Таким образом, геотермальная паровая турбина работает практически на сухом насыщенном паре с начальным давлением в несколько атмосфер.

Пар расширяется в турбине, которая приводит электрогенератор, не имеющий принципиальных отличий от традиционных, а затем поступает в конденсатор, где конденсируется. В отличие от традиционной ТЭС турбоустановка ГеоЭС работает по разомкнутому циклу.

Конденсат из конденсатора, как и отсепарированная в сепараторе вода, заканчивается обратно в геотермальный резервуар. В результате чего ГеоЭС становится экологически чистым энергетическим объектом.

В геотермальном резервуаре выделяются две основные зоны: продуктивная зона, откуда отбирается горячая вода, пароводяная смесь или влажный пар и зона обратной закачки отработанного теплоносителя (зона реинжекции). Геотермальный теплоноситель направляется вверх по стволу продуктивных скважин в систему сбора и использования теплоносителя (сепараторы) и далее на ГеоЭС в паровую турбину для выработки электроэнергии. Отработанный теплоноситель в виде конденсата пара, а также отделения от пара в сепараторах (сепарат) заканчиваются обратно в геотермальный резервуар для обеспечения замкнутого контура циркуляции.

3.Особенности оборудования ГеоЭС

Особенности физико-химических свойств геотермального теплоносителя, повышенное содержание минеральных примесей являются причинами ряда технических проблем, которые необходимо решать при проектировании и изготовлении геотермального энергетического оборудования. Прежде всего это опасность коррозионно-эрозионного воздействия на материал основного и вспомогательного оборудования и солеотложения в проточных частях турбин, трубопроводах и скважинах реинжекции.

Сепараторы пара для ГеоЭС

На ГеоЭС в мире наиболее распространены вертикальные циклонные сепараторы. Сепаратор представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд диаметром 1,5 - 2,5 м и высотой 5-12 м. Пароводяная смесь подается в него тангенциально в нижнюю половину корпуса. За счет центробежных сил в закрученном потоке жидкая фракция и твердые частицы концентрируются в пристеночном пространстве, в то время как центр сосуда заполнен чистым паром. Пар отводится из верхней части сепаратора через центральную трубу, а отсепарированная вода - через патрубок в нижней части корпуса. Циклонные сепараторы имеют невысокую эффективность (влажность пара на выходе может достигать 1%), которая очень сильно зависит от режимных параметров: расхода и давления пара, влагодержания ПВС, уровня жидкости в сепараторе и др.

В практике эксплуатации ГеоЭС для компенсации недостаточной эффективности циклонных сепараторов нередко используют сепарирующую способность длинных трубопроводов от сепараторов к турбине. Влага с содержащимися в ней солями, двигаясь в паровом потоке, оседает на стенках трубопровода в виде пленки и дренеруется по длине трубы. Такой способ очистки, безусловно, снижает солесодержание пара перед турбиной, однако является неконтролируемым и не может в полной мере обеспечить надежную работу турбин.

Разработанные в АО «Наука» при участии научно-учебного центра МЭИ и ВНИИАМ и изготавливаемые ОАО «ЗиО - Подольск» высокоэффективные (влажность пара на выходе составляет не более 0,05%) сепараторы, расширители и паросборники являются принципиально новыми сепараторами горизонтального типа, в основу создания которых положен опыт проектирования подобных устройств в ядерной энергетике. В этих сепараторах наряду с центробежным способом разделения фаз основным используемым механизмом, обеспечивающим высокую эффективность сепарации, является механизм гравитационного осаждения жидких частиц.

Корпус сепаратора гравитационного типа представляет собой горизонтальный цилиндрический сосуд, ПВС к которому подводится радиально в одной или нескольких точках по длине цилиндра. Выбранный диаметр обечайки сепаратора (2,4 м) позволяет за счет увеличения его длины создать серию аппаратов различной производительности.

Первичное грубое разделение фаз в сепараторе происходит с помощью отбойного щита за счет центробежных сил при изменении направления движения потока. Затем влага отделяется в каналах сепарационного жалюзийного щита за счет многократного изменения направления потока и, наконец, в паровом объеме над сепарационным щитом путем гравитационного осаждения мелких капель влаги.

В верхней части парового объема, перед выходом осушенного пара, установлен дырчатый успокоительный лист для аэродинамического выравнивания потока.

Для ускорения ремонта и очистки деталей сепарационного щита он выполнен из легкосъемных секций, которые могут быть извлечены наружу через специальные люки-лазы.

В отличие от сепараторов циклонного типа, которые, как правило, снабжаются отдельным сепараторосборником и поплавковым предохранительным клапаном, в данном сепараторе все устройства размещены в едином корпусе. Поплавковый клапан, расположенный в выпускном патрубке, предназначен для предотвращения заброса воды в турбину при аварийном подъеме уровня сепарата. Несмотря на то, что сепараторы снабжены специальными устройствами автоматического регулирования уровня и аварийного сброса сепарата при достижении уровня ниже сепарационного щита, такая дополнительная мера предосторожности представляется обоснованной, так как залповый заброс воды в проточную часть турбины при переполнении сепаратора может привести к ее разрушению. В случае аварийного заполнения сепаратора водой полый клапан, выполняющий роль поплавка, всплывает и перекрывает выход пара из сепаратора. Давление в сепараторе при этом повышается и происходит срабатывание разрывных мембран и предохранительных клапанов, которые сбрасывают кипящую воду в атмосферный шумоглушитель.

При большей эффективности влагоудаления, разработанные в России горизонтальные гравитационные сепараторы, превосходят зарубежные циклонные устройства по таким показателям, как компактность и металлоемкость.

Производительность горизонтальных сепараторов может быть легко увеличена при изменении длины сосуда. Режим работы сепараторов выбирается таким, образом, чтобы при номинальном расходе влажность пара на выходе не превышала 0,05%.

Особые требования, предъявляемые к чистоте поступающего в турбину пара, определяются тем, что примеси, содержащиеся в нем, оседают в проточной части и приводят к снижению ее экономичности. Кроме того, возникает опасность коррозионно-эрозионного воздействия на металл турбины и другого оборудования. Значительного снижении количества примесей в паре можно достичь с помощью двухступенчатой системы сепарации с промывкой пара чистым конденсатом в сепараторе 2-й ступени. Чистый конденсат пара, отбираемый из проточной части турбины, подается во вторичный сепаратор на промывочное устройство. Промывка пара происходит путем его барботирования через слой чистого конденсата. При этом остаточные соли, содержащиеся в паре, растворяются в промывочной воде, и таким образом снижается его минерализация.

4.Перспективы развития геотермальной энергетики в России

геотермальный теплоноситель энергетика электростанция

Россия наряду с огромными ресурсами органического топлива, традиционно использующимися для выработки тепла и электроэнергии, располагает также значительными запасами тепла Земли. Современное развитие геотермальной энергетики в стране позволяет сегодня в ряде отдельных регионов по-новому решать проблему тепло- и электроснабжения за счет использования геотермальных ресурсов.

Территория России хорошо исследована, и сегодня известны основные ресурсы тепла Земли, которые имеют значительный промышленный потенциал, в том числе и энергетический.

Практически на всей территории России имеются термальные воды температурой 30-40 оС, что позволяет с помощью тепловых наосов обеспечить отопление и горячее водоснабжение жилых и производственных зданий. В ряде районов, таких как Северный Кавказ, Калининградская область, Чукотка, Приморье, Тюмень, Омская область и Забайкалье, имеются термальные воды, температура которых достигает 100-120 оС, что позволяет напрямую использовать их для теплоснабжения, а в отдельных районах (на Камчатке и Курильских островах) температура теплоносителя геотермальных резервуаров достигает 300 оС, что дает возможность выработки электроэнергии на ГеоЭС с использованием геотермального пара. По данным института Вулканологии и Сейсмологии Дальневосточного отделения РАН, уже выявленные геотермальные ресурсы позволяют полностью обеспечить Камчатку электроэнергией и теплом более чем на 100 лет.

Заключение

геотермальный теплоноситель энергетика электростанция

Запасы геотермальной теплоты в 35 млрд. раз превышают годовое мировое потребление энергии. Лишь 1% геотермальной энергии земной коры (глубина 10 км) может дать количество энергии, в 500 раз превышающее все мировые запасы нефти и газа. Однако сегодня может быть использована лишь незначительная часть этих ресурсов, и это обусловлено, прежде всего, экономическими причинами. Начало промышленному освоению геотермальных ресурсов (энергии горячих глубинных вод и пара) было положено в 1916 году, когда в Италии ввели в эксплуатацию первую геотермальную электростанцию мощностью 7,5 МВт. За прошедшее время, накоплен немалый опыт в области практического освоения геотермальных энергоресурсов. Общая установленная мощность действующих геотермальных электростанций (ГеоТЭС) равнялась: 1975 г. - 1 278 МВт, в 1990 году - 7 300 МВт. Наибольшего прогресса в этом вопросе достигли США, Филиппины, Мексика, Италия, Япония.

В Исландии 80% жилых домов обогревается с помощью горячей воды, добытой из геотермальных скважин под городом Рейкьявик. На западе США за счет геотермальных горячих вод обогревают около 180 домов и ферм. По мнению специалистов, между 1993 и 2000 гг. глобальное выработки электричества с помощью геотермальной энергии выросло более чем вдвое. Запасов геотермального тепла в США существует так много, что оно может, теоретически, давать в 30 раз больше энергии, чем ее сейчас потребляет государство.

В перспективе возможно использование тепла магмы в тех районах, где она расположена близко к поверхности Земли, а также сухого тепла разогретых кристаллических пород. В последнем случае скважины бурят на несколько километров, закачивают вниз холодную воду, а обратно получают горячую.