Обзор нетрадиционной энергетики и теплоэнергетики

Гидротермальные системы

К категории гидротермальных конвективных систем относят подземные бассейны пара или горячей воды, которые выходят на поверхность земли, образуя гейзеры, сернистые грязевые озера и фумаролы. Образование таких систем связано с наличием источника теплоты горячей или расплавленной скальной породы, расположенной относительно близко к поверхности земли. Над этой зоной высокотемпературной скальной породы находится формация из проницаемой горной породы, содержащая воду, которая поднимается вверх в результате ее подстилающей горячей породы. Проницаемая порода, в свою очередь, сверху покрыта непроницаемой скальной породой, образующей «ловушку» для перегретой воды. Однако наличие в этой породе трещин или пор позволяет горячей воде или пароводяной смеси подниматься к поверхности земли. Гидротермальные конвективные системы обычно размещаются по границам тектонических плит земной коры, которым свойственна вулканическая активность.

В принципе для производства электроэнергии на месторождениях с горячей водой применяется метод, основанный на использовании пара, образовавшегося при испарении горячей жидкости на поверхности. Этот метод использует то явление, что при приближении горячей воды (находящейся под высоким давлением) по скважинам из бассейна к поверхности давление падает и около 20 % жидкости вскипает и превращается в пар. Этот пар отделяется с помощью сепаратора от воды и направляется в турбину. Вода, выходящая из сепаратора, может быть подвергнута дальнейшей обработке в зависимости от ее минерального состава. Эту воду можно закачивать обратно в скальные породы сразу или, если это экономически оправдано, с предварительным извлечением из нее минералов. Примерами геотермальных месторождений с горячей водой являются Уайракей и Бродлендс в Новой Зеландии, Серро-Прието в Мексике, Солтон-Си в Калифорнии, Отаке в Японии.

Другим методом производства электроэнергии на базе высоко – или среднетемпературных геотермальных вод является использование процесса с применением двухконтурного (бинарного) цикла. В этом процессе вода, полученная из бассейна, используется для нагрева теплоносителя второго контура (фреона или изобутана), имеющего низкую температуру кипения. Пар, образовавшийся в результате кипения этой жидкости, используется для привода турбины. Отработавший пар конденсируется и вновь пропускается через теплообменник, создавая тем самым замкнутый цикл. Установки, использующие фреон в качестве теплоносителя второго контура, в настоящее время подготовлены для промышленного освоения в диапазоне температур 75-150 °С и при единичной электрической мощности в пределах 10-100 кВт. Такие установки могут быть использованы для производства электроэнергии в подходящих для этого местах, особенно в отдаленных сельских районах.

Горячие системы вулканического происхождения

Использование процесса извлечения теплоты из сухих горячих пород. Ко второму типу геотермальных ресурсов (горячие системы вулканического происхождения) относятся магма и непроницаемые горячие сухие породы (зоны застывшей породы вокруг магмы и покрывающие ее скальные породы). Получение геотермальной энергии непосредственно из магмы пока технически неосуществимо. Технология, необходимая для использования энергии горячих сухих пород, только начинает разрабатываться. Предварительные технические разработки методов использования этих энергетических ресурсов предусматривают устройство замкнутого контура с циркулирующей по нему жидкостью, проходящего через горячую породу. Сначала пробуривают скважину, достигающую области залегания горячей породы; затем через нее в породу под большим давлением закачивают холодную воду, что приводит к образованию в ней трещин. После этого через образованную таким образом зону такой породы пробуривают вторую скважину. Наконец, холодную воду с поверхности закачивают в первую скважину. Проходя через горячую породу, она нагревается, параллельно извлекается через вторую скважину в виде пара или горячей воды, которые затем можно использовать для производства электроэнергии одним из рассмотренных ранее способов.

Системы с высоким тепловым потоком

Геотермальные системы третьего типа существуют в тех районах, где в зоне с высокими значениями теплового потока располагается глубокозалегающий осадочный бассейн. В таких районах, как Парижский или Венгерский бассейны, температура воды, поступающая из скважин, может достигать 100 °С.

Особая категория месторождений этого типа находится в районах, где нормальный тепловой поток через грунт оказывается в ловушке из изолирующих непроницаемых пластов глины, образовавшихся в быстро опускающихся геосинклинальных зонах или в областях опускания земной коры. Температура воды, поступающей из геотермальных месторождений в зонах геодавления, может достигать 150-180 °С, а давление у устья скважины 28-56 МПа. Суточная производительность в расчете на одну скважину может составлять несколько миллионов кубических метров флюида. Геотермальные бассейны в зонах повышенного геодавления найдены во многих районах в ходе нефтегазоразведки, например, в Северной и Южной Америке, на Дальнем и Ближнем Востоке, в Африке и Европе. Возможность использования таких месторождений в энергетических целях пока еще не продемонстрирована.

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 России 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.

Схема электростанции для невулканических районов, располагающих ресурсами термальных вод с температурой 100 °С на глубинах, доступных для современной буровой техники, приведена на рис. 4.1

Рис. 4.1. Схема геотермальной электростанции

для невулканических районов

На рисунке обозначено: 1 – скважина; 2 – бак-аккумулятор; 3 – расширитель; 4 – турбина; 5 – 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 состояние отбираемой теплоты).

Использование геотермальной энергии в современных условиях в значительной степени зависит от затрат, необходимых для вывода на поверхность геотермального носителя 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 1л воды содержится: свинца - 77 мг, цинка - 5 мг, кадмия - 2 мг, меди - 15 мг.


На главную