Геотермальные электростанции

Геотермальные электростанции в качестве источника энергии используют теплоту 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 пла­неты температура горячих источников достаточно высо­кая и в непосредственной близости от поверхности. Эти районы наиболее благоприятны для сооружения геотермальных станций. Так, в Новой Зеландии на геотермальных станциях вырабатывается 40% всей электроэнергии, в Италии—6%. Значительная доля электроэнергии при­ходится на такие станции и в ряде других стран.

В СССР для ряда районов, например Камчатки и Курильских островов, сооружение геотермальных стан­ций может оказаться экономически оправданным. Так, на Камчатке успешно эксплуатируется опытно-промыш­ленная геотермальная станция. Обсуждаются также воз­можности использования действующих вулканов на Курильских островах.

Структурная схема геотермальной электростанции для вулканических районов приведена на рис. 3.13. Схе­ма электростанции для вул­канических районов, распо­лагающих ресурсами термальных вод с температурой 100°С на глубинах, доступ­ных для современной буро­вой техники, приведена на рис. 14.1.

Рис. 14.1. Схема геотермальной электростанции для невулканических районов:

1 – скважина; 2 – бак-аккумулятор; 3 – расширитель; 4 – турбина;

3 – генератор; 6 – градирня; 7 – насос; 8 – смешивающий конденсатор; 9,10 - насос

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

Использование геотермальной энергии в современны условиях в значительной степени зависит от затрат, н< обходимых для вывода на поверхность геотермального теплоносителя в виде пара или горячей воды. Все действующие в настоящее время геотермальные электростанции располагаются в таких районах Земли, в которых температура теплоносителя достигает 150—360°С на глу­бинах, не превышающих 2—5 км.

В последнее время более интенсивно проводятся по­иски участков Земли с минимальной глубиной располо­жения геотермальных ресурсов. На таких участках рен­табельно создание систем, осуществляющих теплоснаб­жение и получение электрической энергии.

Практически все геотермальные источники содержат примеси в виде различных химических элементов. Хими­ческая активность подземных теплоносителей, в составе которых могут быть ртуть, мышьяк, вызывает отрица­тельные экологические эффекты, а также усиливает кор­розию конструкционных материалов энергетического оборудования. Извлечение химических элементов до отбора теплоты от теплоносителя позволяет снизить экологическое влияние, уменьшить химическую корро­зию и получить ценное сырье для химической промыш­ленности. Так, в некоторых скважинах Южно-Каспий­ского бассейна в 1 л воды содержится, мг: свинца — 77, цинка — 5, кадмия — 2, меди — 15.

15. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНОЙ ЭНЕРГИИ ЗЕМЛИ

Три четверти земной поверхности занято водой, лишь одна четверть сушей. Поэтому человека привлекала проблема полезного использования воды, в том числе и в энергетике. Время применения гидравлических двигателей насчитывает более 2000 лет. Сначала как источник механической энергии использовались отдельные водяные колеса, затем отдельные водяные турбины и, наконец, гидростанции. В СССР насчитывается 775 тыс. рек протяженностью более 5 млн. км. По количеству и длине рек СССР занимает первое место в мире. Их энергия, технически пригодная к использованию, составляет около 4000 млрд. кВт-ч. По запасам гидроэнергии СССР превосходит все страны. Например, следующие за СССР США и Бразилия имеют гидроэнергетические запасы, примерно в 1,6 раза меньшие.

Огромные гидроэнергетические ресурсы СССР распределены неравномерно. На Дальнем Востоке и в Сиби­ри их 66% от общих. Это выдвигает особые проблемы.

Энергия воды используется на гидроэнергетических установках (РЭУ). Существует три основных вида ГЭУ:

— гидроэлектрические станции (ГЭС), которые используют энергию рек;

— приливные электростанции (ПЭС), использующие энергию приливов и отливов океанов и морей;

— гидроаккумулирующие станции (ГАЭС), которые могут накапливать и использовать энергию искусственных водоемов, озер.

Принципиальным преимуществом ГЭУ по сравнению с другими электрическими станциями является то, что они используют вечно возобновляемые энергетические ре­сурсы. На ТЭС сжигается топливо, на АЭС расходуется ядерное топливо. На ГЭУ используется вода, которая полностью сохраняется. Гидроэнергетическим ресурсам не грозит исчезновение от работы гидроэнергетических установок.

Технологическая схема работы ГЭУ исключительно проста. Естественные водные ресурсы реки преобразуются в гидроэнергетические ресурсы ГЭС с помощью строительства гидротехнических сооружений. Гидроэнергетические ресурсы используются в турбине и превращаются в механическую энергию, механическая энергия используется в генераторе и превращается в электрическую энергию.

16. ГИДРОЭНЕРГЕТИКА И ВОДНОЕ ХОЗЯЙСТВО

Водные ресурсы всегда используются в интересах народного хозяйства, а не только энергетики. Их использование имеет комплексный характер. В число потребителей и пользователей воды входят энергетика, водный транспорт, ирригация, водоснабжение, рыбное хозяйство. Почти каждый гидроузел (за исключением мелких) создается в интересах не только энергетики, но и других отраслей народного хозяйства, причем их интересы находятся в сложном взаимодействии. Возникает множество вопросов: как распределить воду, накопленную в водохранилище; как работа ГЭС отражается на уровнях и режиме реки; как водохранилище влияет на рыбное хозяйство и многие другие.

Как будет дальше развиваться гидроэнергетика ? На первый взгляд вопрос представляется странным. Действительно экономические показатели ГЭС вполне подходящие: себестоимость электроэнергии, произведенной ГЭС, гораздо ниже, чем для ТЭС и АЭС, а капитальные вложения хотя и выше, чем для ТЭС, но ниже, чем для АЭС.

Что касается ресурсного обеспечения, то поскольку гидроэнергия относится к числу восполняемых источников энергии (гидроэнергия солнечного происхождения), под ресурсным обеспечением можно понимать только макси­мальную (экономически оправданную) выработку элек­троэнергии в год, равную для всей Земли (конечно, весь­ма приближенно) 10 млрд. тут в год, т. е. примерно равную всему энергопотреблению мира в настоящее вре­мя. Гидроэнергоресурсы Советского Союза (также экономически оправданные) составляют около 12% мировых.

Таким образом с ресурсами гидроэнергии дело обстоит благополучно. Как это ни странно представляется на первый взгляд, сооружение ГЭС может иметь отрицательные последствия экологического характера. К таким последствиям относятся затопление сельскохозяйственных земель и лесных угодий, изменение естественного режима речного стока и даже климата прилегающих территорий. К сожалению, перечисленные стороны дела далеко не всегда принимались раньше во внимание. В частности, по всей видимо­сти, неоправданным является создание больших водохранилищ

Рыбинской, Цимлянской и Каховской ГЭС. Эти и некоторые другие водохранилища имеют к тому же большие площади мелководья, отрицательно влияющие на качество воды.

Необходимо сказать, что мелководья, имеющиеся и на многих других водохранилищах, включая волжские, являются весьма отрицательным явлением с экологиче­ской точки зрения.

При строительстве ГЭС в районах Сибири и Дальнего Востока было допущено затопление больших лесных площадей без предварительной вырубки леса. Это относится, в частности, к Братскому, Усть-Илимскому и Саяно-Шушенскому водохранилищам. Нет необходимости говорить об отрицательных последствиях этого.

Сооружение плотин привело к большому ущербу для так называемых проходных рыб, которые в пору икроме­тания поднимаются вверх по реке. Не было учтено, что сооружение плотин резко изменяет условия существова­ния ихтиофауны: температурный режим, качество воды, уровень, кормовую базу и многое другое.

Как же быть дальше? Может быть, прекратить строительство ГЭС?

На наш взгляд, такое решение было бы неправильным. Вероятно, правильным было бы установить такой порядок, когда началу строительства новой ГЭС (включая начало проектирования и создания строительной базы) обязательно предшествовала бы разработка технико-экономического обоснования (ТЭО) и рассмотрение его высококвалифицированной вневедомственной комиссией. Видимо, такой порядок должен быть установлен не только для ГЭС, но и для других промышленных сооружений.

В частности, прежде чем приступать к строительству ГЭС, на чем настаивают некоторые специалисты-гидроэнергетики, следовало бы разработать ТЭО и рассмот­реть его в предложенном выше порядке.

Нам осталось теперь сказать несколько слов о гидроаккумулирующей электростанции (ГАЭС). Устройство ГАЭС в принципе очень простое. Главными ее элементами, как показано на рисунке, являются два резервуара, расположенные на разных уровнях (верхний и нижний), и насос-турбина агрегат, который может работать и как насос, и как гидравлическая турбина. Агрегат соединен с мотором-генератором, который в свою очередь может работать и как электрический двигатель для привода в действие насоса, и как электрический генератор.