К вопросу об эффективности петротермальных низкотемпературных ТЭС

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

К вопросу об эффективности петротермальных низкотемпературных ТЭС

Д.т.н. В.А. Рыженков

Введение

В отличие от других низкотемпературных возобновляемых источников энергии источник, базирующийся на использовании петротермально- го (глубинного) тепла Земли, стабилен во времени и не зависит от климатических и территориальных факторов. Для организации съема тепла и производства тепловой и электрической энергии в этом случае не требуется значительных территорий, поэтому петротермальная ТЭС может быть построена даже в центре энергодефицитного мегаполиса. Экологическим преимуществом такого рода источников является отсутствие необходимости добывать, перерабатывать, транспортировать и сжигать топливо. Если учитывать отсутствие экологического ущерба в качестве экономической составляющей в себестоимости производства энергии, то использование для этой цели глубинного тепла оказывается конкурентоспособным в сравнении с традиционными способами получения энергии.

В современных условиях есть реальная возможность практически повсеместно использовать тепло недр Земли для решения проблем энергообеспечения удаленных потребителей независимо от объема потребления и территориального расположения. Применительно к России с учетом ее огромной территории это обстоятельство имеет первостепенное значение.

Особенности использования глубинного тепла Земли

Известно, что основным показателем, характеризующим тепловой потенциал земных пород, является геотермический градиент температур, в качестве которого понимается скорость роста температуры пород с увеличением глубины [1]. В зависимости от региона планеты среднее значение этого параметра находится в диапазоне от 2 до 6 ОС, т.е. на эту величину температура земных пород возрастает через каждые 100 м в глубину.

Наиболее высокие значения геотермических градиентов наблюдаются в современных районах вулканической деятельности, к которым в России относится Камчатская область. Из не вулканических областей наиболее прогретыми является Северокавказский регион, где геотермический градиент составляет 3-5 ОС на 100 м, тогда как среднее его значение для Москвы составляет 2 ОС, Санкт-Петербурга - 2,5 ОС, Нижнего Поволжья - 2,1 ОС, Урала - 1,2 ОС на 100 м [2].

Средний геотермический градиент для России составляет 2-3 ОС на 100 м (исключая зоны аномальных значений). Это позволяет рассчитывать на температуру пород до 260 ОС на глубинах до 10 км. Известно, что петротермальные теплоэлектростанции (далее петроТЭС) целесообразно сооружать, если температура извлекаемого тепла не ниже 100 ОС. При вышеназванных средних градиентах такая температура соответствует глубинам 3,5-5 км.

Анализ опубликованных данных показывает, что различные значения геотермического градиента практически во всех случаях полевых измерений значительно превосходят определенные ранее (на 80-100%), что становится весомым аргументом в пользу петроТЭС.

Использование глубинного тепла пород Земли сопряжено с определенными трудностями. В первую очередь это связано с бурением относительно глубоких скважин. На сегодняшний день глубина бурения - основной фактор, ограничивающий доступность глубинного тепла Земли требуемого температурного уровня в любом месте планеты. Известно, что существующие технологии позволяют производить сверхглубокое бурение на глубины до 12 км. Технологии бурения скважин на небольшие глубины (3-5 км) хорошо отработаны и достаточно дешевы. Тем не менее, бурение составляет 70-80% [3] капитальных затрат на создание всего комплекса петроТЭС.

Совершенствованию технологий сверхглубокого бурения сегодня уделяется большое внимание во всем мире и уже есть разработки, позволяющие производить бурение скважин на глубины 7-10 км с двукратным снижением стоимости бурения при существенном сокращении времени на проходку [4].

Другая проблема связана с транспортировкой глубинного тепла пород Земли на поверхность. В мировой практике применяется способ извлечения глубинного тепла, основанный на непосредственном контакте теплоносителя с недрами. В массиве горячих пород с помощью искусственного гидроразрыва создается система трещин, которая обеспечивает свободную циркуляцию и нагрев теплоносителя. Циркуляционная система состоит из двух скважин: нагнетательной, по которой теплоноситель поступает в массив трещин, и эксплуатационной, по которой нагретый теплоноситель поступает на поверхность [2]. Этот способ обладает весьма серьезными недостатками, такими как: загрязненность и высокая минерализация теплоносителя; необходимость применения капиталоемкого износостойкого оборудования и создания сложных фильтрующих систем.

Разработка перспективной схемы петроТЭС

Для устранения вышеперечисленных недостатков в МЭИ (ТУ) разработаны и запатентованы [5] схемы построения двухконтурных петро- ТЭС с использованием только одной скважины и одного теплообменника типа «труба в трубе». Такая схема позволяет исключить контакт теплоносителя с земными породами и дает возможность использовать традиционное оборудование без необходимости создания сложных фильтрующих систем. Принципиальная схема двухконтурной петроТЭС представлена на рис. 1.

Производство электрической энергии на основе этой схемы может осуществляться с использованием любого низкотемпературного рабочего тела, т.е. с низкой температурой кипения [6].

При расчете данной схемы петроТЭС в качестве исходных данных расчета было выбрано следующее: центральный регион России с геотермическим градиентом 3,1 ОС на 100 м, электрическая мощность - 1 МВт, глубина скважины 3500 м, диаметр обсадной трубы - 426 мм, диаметр подъемной трубы - 273 мм.

Итоговым результатом расчета является значение суммарной потребляемой мощности насосов (163,6 кВт) на собственные нужды (циркуляция воды в скважине, циркуляция фреона, циркуляция в градирне), которые в значительной степени определяют основные затраты на собственные нужды. КПД петроТЭС составляет 36%. Изменение значений КПД в зависимости от температуры земных пород на дне скважины приведено на рис. 2 (для рабочего вещества R-11).

Полученные данные, дополнительно к вышеизложенным аргументам, подтверждают перспективность создания энергетических установок, использующих «бесплатное» петротермальное тепло Земли.

Очевидно, что основным элементом тепловой схемы петроТЭС является турбина, работающая на низкотемпературном рабочем теле. Установки такого рода с применением фреона R-11 были впервые разработаны в Японии [1, 7]. В 1979 г. на металлургическом заводе «Ки- шима» была введена в эксплуатацию турбина мощностью 2,9 МВт.

В качестве рабочих тел в тепловой схеме петроТЭС кроме фреонов могут использоваться любые низкотемпературные рабочие вещества. Эффективность рабочего тела предопределяют в основном два параметра:

¦ величина удельной выработки работы на единицу рабочего вещества;

¦ количество затрачиваемого тепла на испарение рабочего вещества.

В табл. 1 представлен перечень наиболее распространенных низкотемпературных рабочих веществ.

Таблица 1. Величина удельной выработки работы на единицу рабочего вещества (I) и количество затрачиваемого тепла на испарение (qT) для различных низкотемпературных рабочих веществ.

Таблица 2. Стоимость электрической энергии в альтернативной энергетике

петротермальный электрический энергия

На рис. 3 данные рабочие тела расположены в ряд по мере возрастания КПД нетто турбины (определен без учета затрат энергии на работу насосов).

Заключение

На сегодняшний день стоимость 1 кВт.ч отпущенной электрической энергии от петроТЭС даже без учета экологического фактора сопоставима со стоимостными показателями других возобновляемых источников энергии. В табл. 2 приведены стоимостные показатели отпускаемой электрической энергии в альтернативной энергетике европейских стран в зависимости от типа источника [8].

По предварительным расчетам стоимость 1 кВт установленной электрической мощности петроТЭС составит от 2 до 3,5 тыс. евро.

Таким образом, с учетом отсутствия необходимости добывать, транспортировать и сжигать органическое топливо, а также с учетом возможности повсеместного использования вне зависимости от климатических условий и региональных особенностей петротермальные источники энергии в совокупности выгодно отличаются от других видов низкотемпературных возобновляемых источников энергии и применительно к РФ могут быть широко востребованы уже в ближайшее время.

Литература

1. Рыженков В.А., Кутько Н.Е. О возможности использования тепла глубинных пород Земли для электро- и теплоснабжения обособленных потребителей // Энергосбережение и водоподготовка. 2009. № 1.

2. Алхасов А.Б. Геотермальная энергетика: проблемы, ресурсы, технологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. 376с.

3. Geothermal Fields Development. Workshop on Geothermal Energy ICS-UNIDO, Trieste, 2008.

4. The alternative approach for ultra-deep geothermal drilling. Presentation, Agency for geothermal power engineering, 2008.

5. Рыженков В.А., Мартынов А.В., Кутько Н.Е. Геотермальная установка энергоснабжения потребителей. Патент на полезную модель № 63867 от 28 декабря 2006 г.

6. Мартынов А. В. Установки для трансформации тепла и охлаждения. Сборник задач. М.: Энергоатомиздат, 1989.

7. Саламов А.А. Энергоустановки с органическим теплоносителем // Промышленная энергетика. 1982. № 6. С. 38.

8. Act Revising the Legislation on Renewable Energy Sources in the Electricity Sector and Amending Related Provisions. Germany, Federal Law Gazette. 2008. № 49.

Размещено на Allbest.ru