От камчатки до кавказа

В России развитие геотермальной энергетики имеет достаточно давнюю историю, и по ряду позиций мы находимся в числе мировых лидеров, хотя в общем энергобалансе огромной страны доля геотермальной энергии пока ничтожно мала.

Пионерами и центрами развития геотермальной энергетики в России стали два региона — Камчатка и Северный Кавказ, причём если в первом случае речь идёт прежде всего об электроэнергетике, то во втором — об использовании тепловой энергии термальной воды.

На Северном Кавказе — в Краснодарском крае, Чечне, Дагестане — тепло термальных вод для энергетических целей использовалось ещё до Великой Отечественной войны. В 1980–1990-е годы развитие геотермальной энергетики в регионе по понятным причинам застопорилось и пока из состояния стагнации не вышло. Тем не менее геотермальное водоснабжение на Северном Кавказе обеспечивает теплом около 500 тыс. человек, а, например, город Лабинск в Краснодарском крае с населением 60 тыс. человек полностью отапливается за счёт геотермальных вод.

На Камчатке история геотермальной энергетики связана, прежде всего, со строительством ГеоЭС. Первые из них, до сих пор работающие Паужетская и Паратунская станции, были построены ещё в 1965–1967 годах, при этом Паратунская ГеоЭС мощностью 600 кВт стала первой станцией в мире с бинарным циклом. Это была разработка советских учёных С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфельда из Института теплофизики СО РАН, получивших в 1965 году авторское свидетельство на извлечение электроэнергии из воды с температурой от 70°C. Эта технология впоследствии стала прототипом для более 400 бинарных ГеоЭС в мире.

Мощность Паужетской ГеоЭС, введённой в эксплуатацию в 1966 году, изначально составляла 5 МВт и впоследствии была наращена до 12 МВт. В настоящее время на станции идёт строительство бинарного блока, который увеличит её мощность ещё на 2,5 МВт.

Развитие геотермальной энергетики в СССР и России тормозилось доступностью традиционных энергоносителей — нефти, газа, угля, но никогда не прекращалось. Крупнейшие на данный момент объекты геотермальной энергетики — Верхне-Мутновская ГеоЭС с суммарной мощностью энергоблоков 12 МВт, введённая в эксплуатацию в 1999 году, и Мутновская ГеоЭС мощностью 50 МВт (2002 год).

Мутновская и Верхне-Мутновская ГеоЭС — уникальные объекты не только для России, но и в мировом масштабе. Станции расположены у подножия вулкана Мутновский, на высоте 800 метров над уровнем моря, и работают в экстремальных климатических условиях, где 9–10 месяцев в году зима. Оборудование Мутновских ГеоЭС, на данный момент одно из самых современных в мире, полностью создано на отечественных предприятиях энергетического машиностроения.

В настоящее время доля Мутновских станций в общей структуре энергопотребления Центрально-Камчатского энергетического узла составляет 40%. В ближайшие годы планируется увеличение мощности.

Мутновская ГеоЭС на Камчатке. На конец 2011 года установленная мощность станции была 50 МВт, однако её планируется увеличить до 80 МВт. Фото Татьяны Коробковой (НИЛ ВИЭ географического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова)

Отдельно следует сказать о российских петротермальных разработках. Крупных ПЦС у нас пока нет, однако есть передовые технологии бурения на большую глубину (порядка 10 км), которые также не имеют аналогов в мире. Их дальнейшее развитие позволит кардинально снизить затраты на создание петротермальных систем. Разработчики данных технологий и проектов — Н. А. Гнатусь, М. Д. Хуторской (Геологический институт РАН), А. С. Некрасов (Институт народнохозяйственного прогнозирования РАН) и специалисты Калужского турбинного завода. Сейчас проект петротермальной циркуляционной системы в России находится на экспериментальной стадии.

Перспективы у геотермальной энергетики в России есть, хотя и сравнительно отдалённые: на данный момент достаточно велик потенциал и сильны позиции традиционной энергетики. В то же время в ряде отдалённых районов страны использование геотермальной энергии экономически выгодно и востребовано уже сейчас. Это территории с высоким геоэнергетическим потенциалом (Чукотка, Камчатка, Курилы — российская часть Тихоокеанского «огненного пояса Земли», горы Южной Сибири и Кавказ) и одновременно удалённые и отрезанные от централизованного энергоснабжения.

Вероятно, в ближайшие десятилетия геотермальная энергетика в нашей стране будет развиваться именно в таких регионах.

Кирилл Дегтярев, научный сотрудник, МГУ им. М. В. Ломоносова

«Наука и жизнь» №9, №10 2013

задачапосвящена тепловому потенциалу геотермальной энергии, сосредоточенной в естественных водоносных горизонтах на глубине z, км, от земной поверхности. Толщина водоносного слоя h, км, меньше глубины его залегания.

Слой имеет пористую структуру – скальные породы имеют поры, заполненные водой (пористость оценивается коэффициентом α). Средняя плотность твердых пород земной коры ρгр = 2700 кг/м3, а коэффициент теплопроводности λгр = 2 Вт/(м·К). Изменение температуры грунта по направлению к земной поверхности характеризуется температурным градиентом (dT/dz),

измеряемым в °С/км или К/км .

В полутермальныхрайонах температурный градиент равен 40–80 °С/км (например, Северный Кавказ). Здесь целесообразно использовать тепло недр для отопления, в теплицах, в

бальнеологии.

В гипертермальныхрайонах (вблизи границ платформ земной коры) градиент более 80 °С/км. Здесь целесообразно строить ГеоТЭС.

При известном температурном градиенте можно определить распределение температуры водоносного пласта Tг=To+(dT/dz)·z, (3.1)

где Тo – температура на поверхности Земли, К (°С) (принимается средняя – 10 °С).

В расчетной практике характеристики геотермальной энергетики обычно относят к 1 км2 поверхности F.

Теплоемкость пласта спл, Дж/К, можно определить по уравнению

спл=[α·ρв·св+(1–α)·ρгр·сгр]·h·F, (3.2)

где ρв и св – соответственно плотность и изобарная удельная теплоемкость воды;

ρгр и сгр – плотность и удельная теплоемкость грунта (пород пласта).

Если задать минимально допустимую температуру, при которой можно использовать тепловую энергию пласта Т1 (К), то можно оценить его тепловой потенциал к началу эксплуатации, Дж, E0=спл·(T2–T1). (3.3)

Возможное время использования пласта τ0, лет, в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V, м3/с, можно определить по уравнению

τ0=спл/(V·ρв·св). (3.4)

Считают, что тепловой потенциал пласта во время его разработки изменяется по экспоненциальному закону E= E0·exp(–τ/τ0), (3.5)

где τ – число лет с начала эксплуатации; еxp – основание натуральных логарифмов.

Тепловая мощность геотермального пласта в момент времени τ (лет с начала разработки) в Вт (МВт) (dE/dτ)τ = – E0/τ0·exp(τ/τ0). (3.6)

Задача №3

Определить начальную температуру t₂ и количество геотермальной энергии Е_o (Дж) водоносного пласта толщиной h=0,8 км при глубине залегания z=3,5 км, если заданы характеристики породы пласта: плотность р_гр = 2700 кг/ м³ ; пористость а = 5 %; удельная теплоемкость С_гр =840 Дж/(кг· К). Температурный градиент (dT/dz) =65 °С /км

Среднюю температуру поверхности t_o принять равной 10 °С. Удельная теп­лоемкость воды С_в = 4200 Дж/(кг · К); плотность воды ρ= 1·10³ кг/м³ . Расчет произвести по отношению к площади поверхности F = 1 км². Минимально допусти­мую температуру пласта принять равной t₁ =40 ° С.

Определить также постоянную времени извлечения тепловой энергии τ_o(лет) при закачивании воды в пласт и расходе ее V =0,1 м³/(с·км²). Какова будет тепло­вая мощность, извлекаемая первоначально (dE/dτ)_τ=0 и через 10 лет (dE/dτ)_τ=10 ?

Решение Определим температуру водо­носного пласта перед началом его эксплуатации: T2=To+(dT/dz)·z=10+65·3,5=237,5 °С=510,5 K [°С+ ·км]= [°С] Теплоемкость пласта Спл (Дж/К) можно определить по уравнению: Cпл=[α·ρв·Cв+(1-α)·ρгр·Cгр]·h·F= =[0,05·1·103·4200+(1-0,05)· 2,7·103·840]· 800·1·106=(210000+2154600)· 800·1·106= =189168·1010 Дж/К=1,9·10 15 Дж/К [ ]·м·м2=[Дж/К] Тепло­вая мощность, извлекаемая первоначально Еo (Дж): E0=Cпл·(T2-T1)= 189168·1010 ·(237,5-40)= =37360680· 1010 Дж= 3,7·10 17 Дж [ ]=Дж

Дано: h=0,8 км

z=3,5 км

р_гр = 2700 кг/ м³

λ_гр =2 Вт/(м·К)

а = 5 %

С_гр =840 Дж/(кг· К)

(dT/dz) =65 °С /км

t_o=10 °С

С_в = 4200 Дж/(кг · К)

ρ= 1·10³ кг/м³

F = 1 км²

t₁ =40 ° С

V =0,1 м³/(с·км²)

1.) τ=0 лет

2.) τ=10 лет

Постоянную времени пласта τ0 (возможное время его использования, лет) в случае отвода тепловой энергии путем закачки в него воды с объемным расходом V (м3/с) можно определить по уравнению: τ0=Cпл/(V·ρв·Св) = c = 4,5·10 9 с =143 года

Найти: t₂, Е_o, τ_o

МВт

МВт

Ответ: начальная температура t₂ = 237,5 °С, тепловой потенциал к началу эксплуатации Е_o=3,7· 10 ¹⁷ Дж, возможное время использования пласта τ₀=143 года; тепловая мощность, извлекаемая первоначально МВт, через 10 лет 76 МВт.