Отчет - Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан. Том 3 Перспективные сегменты отрасли альтернативной энергетики
Подождите немного. Документ загружается.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
91
График 4 Соотношение первоначальных затрат и эксплуатационных расходов теплонаносных систем
4.2. Негативные аспекты использования геотермальной
энергетики
Главная из проблем заключается в необходимости проведения обратной закачки
отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится
большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца,
цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает
сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.
Таблица 8 Оценка основных преимуществ и недостатков данного сегмента
отрасли АИЭ
Преимущества Недостатки
Большой потенциал геотермальной
энергии, как в мировом масштабе, так и в
Казахстане. Разведанные запасы на
территории Казахстана составляют около
100 млрд. т.у.т., что на порядок превышает
общие запасы нефти и газа;
Экологическая чистота производства
электроэнергии и тепла;
Можно использовать в разных
климатических условиях и в разные
времена года;
Коэффициент полноты использования
превышает 90%;
Себестоимость получаемой
электроэнергии ниже, чем у других
возобновляемых источников энергии.
Низкий температурный потенциал
теплоносителя;
Рассредоточенность источников,
ограниченность промышленного опыта
использования;
Дополнительные затраты на проведение
обратной закачки отработанной воды в
подземный водоносный горизонт. В
термальных водах содержится большое
количество солей различных
токсичных
металлов (например, бора, свинца, цинка,
кадмия, мышьяка) и химических
соединений (аммиака, фенолов), что
исключает сброс этих вод в природные
водные системы, расположенные на
поверхности.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
93
4.3. Геотермальная энергетика в странах СНГ
В России геотермальная энергия занимает первое место по потенциальным возможностям
ее использования. Ее экономические показатели составляют 115 млн. т.у.т. в год.
Выявленные запасы геотермальных вод с температурой 40-200°С и глубиной залегания до
3500 м на территории России могут обеспечить получение примерно 14 млн. куб. м
горячей воды в сутки, что по количеству энергии эквивалентно 30 млн. тонн условного
топлива. В то же время выведенные на земную поверхность запасы геотермальных вод
используются всего на 5%. В настоящее время в стране эксплуатируются месторождения
геотермальных вод на Сахалине, Камчатке и Курильских островах, в Краснодарском и
Ставропольском краях, Дагестане, Ингушетии.
По оценкам специалистов, запасы парогидротерм Камчатки и Курильских островов (эти
зоны молодого вулканизма отличаются максимальной близостью геотермальных вод к
поверхности земли) могут обеспечить мощность геотермальных электростанций не менее
1000 МВт.
В настоящее время здесь действуют Паужетская (14,5 МВт), Мутновская (2х25 МВт) и
Верхне-Мутновская геотермальные станции (12 МВт) общей мощностью 76,5 МВт.
На Кубани на сегодняшний день эксплуатируется 10 месторождений геотермальных вод.
За 1999-2000 гг. уровень добычи теплоэнергетических вод в крае составил около 9 млн.
куб. м, что позволило сэкономить до 65 тыс. т.у.т.
В качестве альтернативного источника энергии следует отметить геотермальные ресурсы
Ярославской области, где уже есть первые примеры их эксплуатации.
Совсем недавно к строительству геотермальных установок на российской территории
проявили интерес власти Исландии.
В Украине нет горячих источников и гейзеров в таком количестве, как на Камчатке (РФ),
но там методы получения энергии из раскаленных недр Земли есть. Аналогичная ситуация
и в других странах СНГ, где осуществлены первые попытки эксплуатации геотермальных
ресурсов.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
94
4.4. Технологии в сфере геотермальной энергетики
4.4.1. Анализ технологий
Современное развитие геотермальной энергетики предполагает экономическую
целесообразность использования следующих видов подземных геотермальных вод:
температурой более 140°С и глубиной залегания до 5 км для выработки
электроэнергии;
температурой около 100°С для систем отопления зданий и сооружений;
температурой около 60-70°С для систем горячего водоснабжения;
геотермальные холодильные установки;
системы геотермального теплоснабжения теплиц
48
.
Существует два основных способа использования геотермальной энергии: прямое
использование тепла и производство электроэнергии. Прямое использование тепла
является наиболее простым и поэтому наиболее распространенным способом. Практика
прямого использования тепла широко распространенна в высоких широтах на границах
тектонических плит. Водопровод в таких случаях монтируется непосредственно в
глубинные скважины. Получаемая горячая вода применяется для подогрева дорог, сушки
одежды и обогрева теплиц и жилых строений. Способ производства электричества из
геотермальной энергии очень похож на способ прямого использования. Единственным
отличием является необходимость в более высокой температуре (более 150°С).
Принцип работы геотермальной станции аналогичен принципу работы обычной тепловой
электростанции и отличается отсутствием печи и котла. Вода закачивается в скважины,
пробуренные над зоной подземного разлома, на глубину, где температура составляет
около 200°С. Вода проникает в трещины горячего гранита, нагревается и по другой
скважине в виде перегретого пара поднимается на поверхность земли. После этого горячая
вода подаётся в теплообменник и полученная энергия может использоваться в турбинах
для выработки электроэнергии. В среднем одна геотермальная скважина обеспечивает
мощность 3-5 МВт, а средняя стоимость бурения 900 долларов за метр. Одна скважина
работает примерно 25 лет, за это время, окупая себя и принося прибыль
49
.
48
Источник: http://geosite.com.ru/pageid-298-9.html
49
Источник: http://aienergy.blogspot.com/2008/07/blog-post_7218.html
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
95
Рисунок 11 Принцип работы геотермальной электростанции
В настоящее время существует три схемы производства электроэнергии с использованием
гидротермальных ресурсов: прямая с использованием сухого пара, непрямая с
использованием водяного пара и смешанная схема производства (бинарный цикл). Тип
преобразования зависит от состояния среды (пар или вода) и ее температуры. Первыми
были освоены электростанции на сухом пару. Для производства электроэнергии на них
пар, поступающий из скважины, пропускается непосредственно через турбину/генератор.
Электростанции с непрямым типом производства электроэнергии на сегодняшний день
являются самыми распространенными. Они используют горячие подземные воды
(температурой до 182°С) которая закачивается при высоком давлении в генераторные
установки на поверхности. Геотермальные электростанции со смешанной схемой
производства отличаются от двух предыдущих типов геотермальных электростанций тем,
что пар и вода никогда не вступают в непосредственный контакт с турбиной/генератором.
Геотермальные электростанции, работающие на сухом пару
Паровые электростанции работают преимущественно на гидротермальном пару. Пар
поступает непосредственно в турбину, которая питает генератор, производящий
электроэнергию. Использование пара позволяет отказаться от сжигания ископаемого
топлива (также отпадает необходимость в транспортировке и хранении топлива). Это
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
96
старейшие геотермальные электростанции, капитальные и эксплуатационные затраты на
их содержание минимальны. Подобная технология при реализации занимает небольшую
площадь, почти не требует вспомогательного оборудования и ее легко приспособить как
переносную геотермальную электростанцию.
Рисунок 12 Принцип работы геотермальной паровой электростанции
Геотермальные электростанции на парогидротермах
Для производства электричества на таких заводах используются перегретые гидротермы
(температура выше 182°С). Гидротермальный раствор нагнетается в испаритель для
снижения давления, из-за этого часть раствора очень быстро выпаривается. Полученный
пар приводит в действие турбину. Если в резервуаре остается жидкость, то ее можно
выпарить в следующем испарителе для получения еще большей
мощности.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
97
Рисунок 13 Принцип работы гидротермальной станции
Геотермальные электростанции с бинарным циклом производства
электроэнергии.
Большинство геотермальных районов содержат воду умеренных температур (ниже 200°С).
На электростанциях с бинарным циклом производства эта вода используется для
получения энергии. Горячая геотермальные вода и вторая, дополнительная жидкость с
более низкой точкой кипения, чем у воды, пропускаются через теплообменник. Тепло
геотермальной воды выпаривает вторую жидкость, пары которой приводят в действие
турбины
. Так как это замкнутая система, выбросы в атмосферу практически отсутствуют.
Воды умеренной температуры являются наиболее распространенным геотермальным
ресурсом, поэтому большинство геотермальных электростанций будущего будут работать
на этом принципе.
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
98
Рисунок 14 Принцип работы геотермальной электростанции с бинарным
циклом
50
ГеоТЭЦ позволяет получать дополнительно 760-1010 млн. кВт/ч электроэнергии в год.
Технико-экономические параметры ГеоТЭС изменяются в очень широких пределах и
существенно зависят от геологических характеристик месторождений. Верхним пределом
является стоимость установленной мощности 2500-3000 долларов за кВт. В этом случае
себестоимость получаемой электроэнергии составляет не менее 0,20-0,25 долларов за
кВт/час. Однако большинство введенных в действие ГеоТЭС значительно дешевле (1200-
2000 дол/кВт). Себестоимость электроэнергии, получаемой на ГеоТЭС в этом случае,
приближается к себестоимости, получаемой на угольных ТЭС.
51
Тепловые насосы
Преобразовывать энергию земли в тепловую энергию также можно с помощью тепловых
насосов. Идея подобного агрегата была высказана полтора века назад британским
физиком Уильямом Томсоном. Тогда оно называлось «умножителем тепла».
К преимуществам тепловых насосов следует отнести:
экономичность (для передачи в систему отопления 1 кВт/ч тепловой энергии
установке необходимо затратить всего 0,2-0,35 кВт/ч электроэнергии);
экологичность (вредных выбросов просто нет), безопасность, надежность (работой
управляет автоматика);
компактность;
бесшумность;
возможность переключения с режима отопления на режим кондиционирования.
50
Источник: http://www1.eere.energy.gov/geothermal/powerplants.htm
51
Источник: http://www.rea.org.ua/index.php?page=sources&sub=4&lang=ru
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
99
Принцип действия теплового насоса аналогичен принципу действия холодильника,
разница лишь в том, что в случае теплового насоса аккумулируется не холод, а тепло.
Тепловой насос имеет четыре основных элемента: испаритель, компрессор, конденсатор и
сбросной клапан (дроссель), объединенных в общий контур. В испарителе хладагент
нагревается до температуры 6-8°С, отобранной из окружающей среды, закипает и
испаряется. Полученный пар сжимается компрессором и при росте давления температура
хладагента поднимается до 35-65°С. Эта температура отдается через теплообменник
конденсатора рабочей жидкости отопительного контура и хладагент обратно
конденсируется. Сбросной клапан сбрасывает давление в конденсаторе перепуская
хладагент в испаритель. Цикл замыкается. Таким образом в ТН происходит «перекачка»
теплоты с низкого на более высокий температурный уровень
Рисунок 15 Схема системы отопления жилого дома с применением теплового
насоса
Преимущественно в мире (>95%) используются парокомпрессионные тепловые насосы,
которые различаются по термодинамическим циклам – в основном это циклы Ренкина,
Стирлинга, Брайтона, по типу компрессоров – поршневые, винтовые и турбокомпрессорные,
по степени герметичности – герметичные, бессальниковые и сальниковые. Рабочий цикл
парокомпрессионного теплового насоса иллюстрирует рис. 6.
Рисунок 16 Схема работы парокомпрессионного теплового насоса
«Исследование отрасли альтернативной энергетики Казахстана»
IGM consulting company
100
Тепло от низкопотенциального источника поступает в испаритель теплового насоса, где отдает
свое тепло рабочему телу, например фреону. Образовавшийся пар фреона при сжатии в
компрессоре нагревается до 80-95°С и поступает в конденсатор, где, конденсируясь, отдает
свое тепло в систему отопления. Затем жидкий, но еще горячий фреон в теплообменнике
отдает тепло холодной воде, нагревая ее до уровня, необходимого для горячего
водоснабжения.
Охлажденный жидкий фреон поступает в дроссель, где дросселируется до давления, при
котором фреон переходит в парообразное состояние при температуре низкопотенциального
источника, и цикл повторяется
52
.
Отечественные ученые, специалисты НИИ «Казсельхомеханизация» и ВКТУ им.
Серикбаева, также разработали тепловые насосы, опытно-серийный выпуск которых
налажен с 2008 года в г. Усть-Каменогорск на базе Регионального научно-
технологического парка «Алтай» совместно с предприятием ТОО «САНДИ»
53
.
52
Источник: http://www.nsk.su/~energy/princip.html
53
Примечание: Компания «САНДИ» работает на рынке тепловых насосов с 2000 года. Основной спектр
работы – проектирование, монтаж и пуско-наладка систем теплоснабжения с использованием
возобновляемой энергетики – тепловые насосы, гелиоколлектора, ВЭС, мини-ГЭС.