Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции в качестве источника энергии используют тепло земных недр. Известно, что в среднем на каждые 30–40 м в глубь Земли температура возрастает на 1 °С. Следовательно, на глубине 3–4 км вода закипает, а на глубине 10–15 км температура Земли достигает 1000÷1200 °С. В некоторых частях нашей планеты температура горячих источников достаточно высокая в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наиболее благоприятны для сооружения геотермальных станций.

Схема использования подземного тепла проста (рис. 4.4.). Вода, закачиваемая в геотермальную скважину, возвращается на поверхность в виде смеси пара высокого давления и кипятка. Эта смесь поступает в циклонный сепаратор — устройство, которое отделяет жидкие фракции воды и направляет пар в турбину. Пар вращает рабочие колеса турбины, а те, в свою очередь, вращают ротор генератора, вырабатывая электроэнергию. Отсепарированная вода, прежде чем она будет снова закачана под землю, также может быть полезно использована, например, для теплоснабжения жилых домов и предприятий. Пар, получаемый в недрах Земли, в отличие от пара, получаемого в парогенераторах ТЭС, содержит примеси различных агрессивных газов, которые разрушают оборудование станций. Поэтому пар земных недр либо направляют в теплообменники для получения «чистого» пара, теряя при этом около 25 % тепла, либо используют специальное коррозионностойкое оборудование. Второй путь в настоящее время считается наиболее целесообразным.

Рис. 4.4. Схема работы геотермальной электростанции

Так, в Новой Зеландии на геотермальных станциях вырабатывается 40% всей электроэнергии, в Италии – 6 %. Значительная доля электроэнергии на таких станциях вырабатывается и в ряде других стран. Италия была первой страной, вставшей на путь промышленного использования тепла Земли недр. Этому способствовал недостаток обычных энергоресурсов.

Что касается России, то ГеоТЭС не могут играть значительной роли в электроэнергетике страны в целом, но они способны радикально решить задачу энергообеспечения в таких отдаленных районах России, как Камчатка и Курилы, обладающие большими потенциальными запасами геотермальной энергии в виде парогидротерм вулканического происхождения.

В настоящее время в России начато строительство двух коммерческих ГеоТЭС: Мутновской на Камчатке суммарной мощностью (первой и второй очередей) 200 МВт и Океанской в Сахалинской обл. суммарной мощностью (первой и второй очередей) 30 МВт. Эти ГеоТЭС будут сооружены с применением модульных блоков мощностью 4–20 МВт полной заводской готовности, которые изготовляет Калужский турбинный завод.

Для таких ГеоТЭС в энергосистеме предпочтителен базовый режим работы, так как эксплуатационные скважины не допускают резких изменений давления и расхода.

Рассмотренные ГеоТЭС географически «привязаны» к парогидротермам, поэтому районы их применения в России ограничены. Гораздо большее распространение могут иметь ГеоТЭС на термальной воде с температурой 100–200 °С, такая ГеоТЭС должна быть двухконтурной с низкокипящим рабочим телом во втором контуре.

Потенциальные запасы термальных вод с указанной температурой сосредоточены на Северном Кавказе в водоносных пластах на глубине 2,5–5 км и могут обеспечить создание ГеоТЭС общей мощностью в несколько миллионов киловатт. Однако если ГеоТЭС на парогидротермах являются промышленными установками коммерческого применения, ГеоТЭС на термальной воде указанного потенциала требуют в условиях России опытно-промышленного применения. Подобные ГеоТЭС могут также быть использованы «на хвосте» парогидротермальных ГеоТЭС для утилизации тепла отсепарированной воды, что может увеличить выработку электроэнергии примерно на 20 %. Скважины на месторождениях термальных вод допускают регулирование расхода, поэтому на двухконтурных ГеоТЭС возможно регулирование мощности без потерь теплоносителя.

Развитие геотермальной электроэнергетики на ближайшую перспективу в основном уже определилось. Из ГеоТЭС на парогидротермах это упомянутые Мутновская и Океанская ГеоТЭС, которые уже строятся. Несмотря на их экономическую эффективность, имеются трудности с инвестициями, связанные со сложностью экономической ситуации в электроэнергетике. Тем не менее, есть основания полагать, что до 2005 г. или несколько позднее эти станции достигнут полной проектной мощности. Дальнейшее развитие ГеоТЭС на парогидротермах Камчатки и Курил будет зависеть от степени роста нагрузки в этих районах.

Что касается двухконтурных ГеоТЭС, использующих термальную воду, то целесообразно в период до 2005 г. построить на Северном Кавказе две-три опытно-промышленные ГеоТЭС данного типа мощностью 1,5–3,0 МВт, на основе опыта эксплуатации которых создать в этом регионе до 2015 г. две–три коммерческие ГеоТЭС мощностью до 20–30 МВт.

В более отдаленном будущем предполагается использование высокотемпературных слоев мантии (до 1000 °С) для получения пара, в который будет превращаться вода, закачиваемая в искусственно создаваемые «вулканические жерла». Разумеется, что получаемая таким образом энергия будет «чистой» и не будет влиять на биосферу (огромная масса мантии исключает влияние на ее состояние отбираемого тепла).