Э. И. Богуславский, профессор, д. т. н., СПбГТУ им. Г.В. ПлехановаВведениеРазвитие и процветание России в значительной мере зависит от возможностей обеспечить собственные энергетические нужды. На этом историческом периоде ископаемые энергоресурсы являются основным источником пополнения государственного бюджета. Ресурсы нефти, при сохранении объемов ее экспорта, быстро истощаются; запасы природного газа тоже ограничены. Запасы угля существенно исчерпаны за последнее десятилетие, а оставшиеся требуют значительных инвестиций, повышения текущих затрат и характеризуются снижением качества углей. Возрастают расходы на охрану окружающей среды. В этих условиях существенно ухудшилось энергоснабжение Европейской части страны. Поиск альтернативы сжигаемому органическому топливу ведется уже не один десяток лет. Особое место занимают геотермальные ресурсы. В мире они в 10 раз превышают суммарные ресурсы ископаемого органического топлива. На территории России прогнозные геотермальные ресурсы (ГР) на доступных глубинах (до 5-6 км) в 4-6 раз превышают ресурсы углеводородов и по оценке Санкт-Петербургского государственного горного института (СПГГИ) и Федерального государственного унитарного предсприятия (ФГУП) "Недра" составляют для нужд теплоснабжения 57 трлн. тонн условного топлива, в том числе для отопления - 31 трлн. тонн условного топлива. При сопоставлении с традиционными источниками энергии очевидны следующие преимущества ГР: неисчерпаемость, повсеместность распространения, близость к потребителю, локальность обеспечения потребителя теплотой и электроэнергией, принадлежность к местным ресурсам, полная автоматизация, безопасность и практическая безлюдность добычи геотермальной энергии, экономическая конкурентоспособность, возможность строительства маломощных установок, экологическая чистота. Однако специфика ГР включает и ряд недостатков: низкий температурный потенциал теплоносителя, нетранспортабельность, трудности складирования, рассредоточенность источников, ограниченность промышленного опыта. Само понятие "ГР" долгие годы было дискуссионным. Автором предложено их определение как: "количество теплоты, содержащееся в литосфере или ее участках, до глубины, технически достижимой средствами бурения на прогнозируемый период". За 30 лет этоопределение не вызвало обоснованных возражений. Согласно разработанной классификации потенциальные ГР, с учетом горно-геологических условий, степени промышленного освоения, технологии добычи и использования теплоты недр, можно разделить на две группы: а) ГР слабопроницаемых горных пород - петрогеотермальные. Технология их извлечения (глубина бурения до 10 км) находится на экспериментальном уровне. Созданы только единичные опытные циркуляционные системы с искусственными коллекторами в США, Англии, Японии, России (Тырныауз), Германии, Франции. б) ГР естественных (водных) коллекторов - гидрогеотермальные. Они промышленно эксплуатируются циркуляционными системами (Франция, США, Германия, Дания, Украина, Польша, Швейцария, Россия и др.). Рассматривая тепловую энергию недр как полезное ископаемое, необходимо определить его количественную, качественную, экономическую и социальную значимость. В СПГГИ были разработаны основные концепции и создана первая методика геолого-экономической оценки ГР. Исследовалась плотность прогнозных ресурсов геотермального теплоснабжения более чем в 3000 пунктах России. Общий тепловой потенциал ресурсов ГЭ России эквивалентен 1702 трлн. т у.т. Технически доступные ресурсы ГЭ для нужд теплоснабжения составили 70/20 °С - 56,9 трлн. т у.т., в том числе для нужд отопления - 30,5 трлн. т у.т. Энергетический потенциал технически доступного, экономически целесообразного и экологически чистого альтернативного источника энергии для России составляет 44,6 трлн. т для нужд теплоснабжения (70/20 °С, в том числе для отопления - 16,4 трлн. т у.т.) Таблица 8. Геотермальные ресурсы территории России
Как видно из таблицы 8, значительная часть территории России характеризуется наличием низко- и среднетемпературных естественных коллекторов. ГР Северо-запада России не так уж велик, но он существует и может быть использован в локальных масштабах. Для освоения низко- и среднетемпературных естественных коллекторов в мире создана промышленная циркуляционная технология. Основными препятствиями широкого применения этой технологии можно считать: 1) высокие требования к геолого-геотермическим характеристикам естественного коллектора - глубине, температуре, мощности и проницаемости, определяющим экономическую целесообразность геотермального теплоснабжения; 2) сравнительно низкие температуры пород продуктивных горизонтов, вызывающие необходимость использования теплонасосных установок; 3) зональность распространения ГР под такую технологию. В качестве примера геолого-экономической оценки ГР рассмотрена геологическая формация Московской синеклизы (таблица 9). Она охватывает Владимирскую, Вологодскую, Ивановскую, Костромскую, Нижегородскую Новгородскую, Тверскую и Ярославскую области. На ее территории прогнозируются два основных термоводоносных горизонта. Верхний - среднедевонский с глубиной залегания от 800 до 1700 м и нижний - среднекембрийский на глубине 900-2300 м. Таблица 9. Перспективные гидрогеотермальные ресурсы среднедевонского
Примечание: в числителе - среднедевонский, знаменателе - среднекембрийский горизонты. Основные потребители тепла в городах и поселках - промышленные предприятия и жилищно-коммунальное хозяйство. Для Северо-запада России при удельной плотности ГР по аналогии с центральными областями России от 25 до 130 тыс. т у.т./км2 по каждому из термоводоносных горизонтов, а совместно - до 150 тыс. т у.т./км2, обеспеченность перспективными ГР, при условии полного использования площадей и деконцентрации тепловых нагрузок до уровня сельских населенных пунктов, может составить от 300 до 2900 лет. МИРОВОЙ ОПЫТ ОСВОЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВРоль ГР в составе нетрадиционных (возобновляемых) источников энергии несомненно превалирующая. В частности, в мировом производстве электроэнергии они занимают более 60 %. Главными потребителями ГР на ближайшую и отдаленную перспективу несомненно будут теплоснабжение и, в значительно меньшей мере, выработка электроэнергии. Приоритетность теплоснабжения в балансе использования ГЭ убедительно обоснована автором и его коллегами, что позволяет наметить направления привлечения инвестиций, создания специализированного оборудования, выбор перспективных районов и первоочередных объектов. В настоящее время разведка и эксплуатация геотермальных месторождений ведется более чем в 70 странах мира, в 60 странах освоено промышленное использование ГР. В 2000 году в мире действовали промышленные геотермальные тепловые станции в 58 странах с общей установленной мощностью 16,4 тыс. МВт(т) и годовой выработкой 192 тыс. ТДж/г, что позволило сэкономить 8,2 млн. т у.т. (табл. 10). Таблица 10. Тепловое использование геотермальной энергии в 10 странах мира
Использование низкотемпературной ГЭ в мировой практике показывает, что большая ее часть (73 %) идет на обогрев помещений, купален, рыбоводства и теплиц. Значительно возросла доля геотермального теплообеспечения сельского хозяйства. Мировое энергопроизводство для этой цели составляет 310 тыс. т у. т. и равно 7 % от мирового энергопользования в этой области. Во Франции с начала 60-х годов началось использование низкотемпературной (27-70 °С) ГЭ. В 1984 г. геотермальные циркуляционные системы работали в 10 городах страны и обеспечивали отопление 45 тысяч квартир. Было начато строительство систем геотермального теплоснабжения (СГТ) еще в ряде городов. Полные затраты на создание модуля СГТ из одной пары скважин составляет в среднем 4 - 6 млн. долларов США. ТЕХНОЛОГИЯ ОСВОЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ РЕСУРСОВГеотермальная технология добычи тепловой энергии недр включает как процесс извлечения, так и обработки и доставки к потребителю теплоносителя с заданным качеством и рыночным уровнем экономической эффективности его использования. Под качеством геотермального теплоносителя понимается: температура, степень минерализации, коррозийная активность, газоносность, загрязнение вредными примесями и др. По способу добычи теплоносителя предлагается следующая классификация геотермальных систем (рис. 4).
Рис. 4. Классификация геотермальных систем. Фонтанная технология в настоящее время доминирует при разработке геотермальных месторождений, представленных природными проницаемыми коллекторами, содержащими флюиды (воду, рассолы, пароводяные смеси, пар) с давлением, как правило, выше гидростатического. Пластовый флюид, выведенный по эксплуатационным скважинам на поверхность за счет избыточного давления в коллекторе или насосной откачки, подается потребителю и после теплового использования сбрасывается в естественные или созданные водоемы и водопотоки. Эта технология имеет ряд существенных недостатков, в основном, экологического и ресурсного характера, в связи с чем она не имеет перспектив для развития большой энергетики. Циркуляционная технология представлена геотермальными циркуляционными системами (ГЦС) трех типов: с естественными проницаемыми коллекторами (Рис. 5), с преобразуемыми трещинными зонами, с искусственно создаваемыми коллекторами в слабопроницаемых скальных породах. Циркуляционная технология разработки геотермальных месторождений природными коллекторами успешно применяется во Франции, имеет промышленное распространение в Германии, на Украине (Крым), в Дании, Швейцарии, США, Польше, России (Чечня, Дагестан) и др.
Рис. 5. Принципиальная схема станции (системы) геотермального теплоснабжения при разработке термоводоносного, проницаемого горизонта: Приповерхностные (малоглубинные) технологии использования низкотемпературной ГЭ малых глубин можно рассматривать как некоторый технико-экономический феномен или реальную революцию в системе теплообеспечения. Меньше, чем за 10 лет в США была разработана многовариантная технология и построены сотни тысяч действующих систем теплоснабжения. Ежегодно вводится в строй не менее 50-80 тысяч новых систем. Успешно внедряется эта технология в Швеции, Швейцарии, Канаде, Австрии, Германии, США. К концу 2000 года в мире действовало около 500 тысяч таких систем, со средней мощностью 10 кВт т и общей мощностью не менее 2,2 ГВт (т). Приповерхностные (малоглубинные) геотермальные системы используются для обогрева и охлаждения различных типов жилых домов (от очень дешевых до роскошных индивидуальных или многоквартирных), бензозаправок, супермаркетов, церквей, образовательных учреждений и т. п. Суть рассматриваемых технологий заключается в создании подземного теплообменника, расположенного на малой глубине с замкнутым или открытым контуром, присоединенного к тепловому насосу, расположенному внутри отапливаемого помещения (рис. 6). При этом используются температуры пород в интервале 5-14 °С.
Эти системы используют не только ГЭ, накопленную в горных породах или в воде, но и солнечную. Конкретная доля той или иной энергии, используемая системой, зависит от глубины расположения теплообменника, климатических и гидрогеологических условий района. Предполагается, что для мелкозалегающих горизонтальных теплообменников основной вклад составляет доля солнечной энергии. Капитальные затраты на строительство такой установки могут оказаться на 50-100 % выше затрат на создание систем прямого обогрева электроэнергией. Однако эксплуатационные затраты на выработку тепловой энергии на 60 % ниже чем от традиционных источников обогрева на электричестве и на 25 % ниже, чем от воздушных тепловых насосов. Срок окупаемости снижается в условиях резко континентального климата, где системы зимой используются для отопления, а летом - для охлаждения зданий. В США считают приемлемым достижения окупаемости в течение 4-8 лет. Расчет затрат (табл. 11) на строительство этой установки в доме на одну семью в Швейцарии подтверждает сказанное. Сравнение котельной на нефтепродуктах и геотермальной скважинной установки
Как видно из таблицы, стартовые затраты на геотермальную установку для теплоснабжения дома на 25 % выше, чем на котельную, но в дальнейшем не потребуется топлива и эта разница окупится не более чем за 3-4 года. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Освоение низкотемпературных термоводоносных горизонтов на значительных территориях России технически возможно и экономически целесообразно. Используемые в статье аббревиатуры: Примечание издателяПо прогнозам Мирового энергетической комиссии, к 2020 году доля геотермальных тепловых насосов в теплоснабжении в мире составит 75 %. ГТН позволяют получить на 1 кВт затраченной энергии 3-7 кВт тепловой энергии или 15-25 кВт мощности по охлаждению на выходе. Система исключительно долговечна и прослужит от 25 до 50 лет без особого внимания к себе. В жилищно-коммунальном секторе с помощью ГТН может осуществляться автономное теплоснабжение коттеджей и отдельных зданий. В качестве источника низкопотенциального тепла для ГТН чаще всего выступают водопроводная вода, грунт, морская и речная вода, канализационные стоки и т. п. На промышленных предприятиях тепловые насосы применяют для утилизации теплоты водооборотных систем, стоков с целью использования такого тепла для теплоснабжения, отопления и горячего водоснабжения. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
