Геотермальное теплоснабжение

В последние годы в мире отмечается значительный рост мощностей геотермального теплоснабжения. Системы геотермального централизованного теплоснабжения в основном применяются в Европе (лидеры – Франция и Испания), а также в Китае, Японии и Турции. В США преобладают системы геотермальной отопления отдельных домов.

Примером успешной реализации крупного геотер­мального теплофикационного проекта является созда­ние системы геотермального теплоснабжения столицы Исландии г. Рейкьявика, которая обеспечивает около 99 % потребностей в тепле, потребляет 2 348 л/с гео­термальной горячей воды температурой 86 – 127 °С. Эта система включает в себя деаэратор, насосную станцию, аварийные (резервные) баки, пиковую ко­тельную и разветвленную сеть раздачи тепла.

Геотермальные ресурсы России обеспечивают хорошие перспективы развития теплоснабжения. По данным доктора технических наук О. А. Поварова [6], суммарная мощность существующих геотермальных систем теплоснабжения составляет 430 МВт, перспективных – 21 тыс. МВт. В отдельных регионах они могут обеспечить до 10 % суммарного энергопотребления. В настоящее время геотермальные ресурсы используются в основном в трех регионах: в Дагестане, Краснодарском крае, на Камчатке. В Дагестане для теплоснабжения используется 4,1 млн м³ геотермальной воды в год. Максимальное ее количество было добыто в 1988 г. 9,4 млн м³. В республике пробурено 123 скважины, эксплуатируется 45. Наиболее круп­ное месторождение – Кизлярское, где из 9 скважин ежегодно добывается 1,4 млн м³ геотермальной воды. Только здесь успешно осуществляется обратная закачка отработанного геотермального теплоносителя в две скважины в объеме 0,8 млн м³ в год, что составляет 57 % общего количества добытой воды. Системы теплоснабжения – двухконтурные, открытые. В первом контуре греющим теплоносителем является вода чокракского горизонта с температурой 115 °С, во втором – вода апшеронского горизонта с температурой 48 °С. При численности населения г. Кизляра 45 тыс. чел. геотермальным отоплением и горячим водоснабжением обеспечивается 70 % жителей. Разработан проект увеличения установленной мощности данной системы теплоснабжения из расчета обеспечения 100 % потребности города при обратной закачке всего отработанного теплоносителя. Стоимость реали­зации проекта – 1 млн дол., срок окупаемости 7 лет.

В Краснодарском крае добывается и используется для теплоснабжения 2,3 млн м³ геотерма­льной воды в год. Максимальное ее количество было добыто в 1986 г. – 8,6 млн м³. Всего в регионе пробурено 79 скважин, из них экс­плуатируется только 40. Установленная тепловая мощность 16 термоводозаборов составляет 238 МВт, годовая выработка тепловой энергии — 834 тыс. МВтч. Наиболее крупное месторождение – Мостовское с утвержденными запасами 11 тыс. м/сут, на котором эксплуатируется 13 скважин. Особенностью месторождения является низкая минерализация воды – 1 г/л при температуре 75 °С. В 1989 г. для отопления и горячего водоснабжения объектов поселка была построена геотермальная система теплоснабжения расчетной тепловой мощностью 5 МВт с двумя тепловыми насосами в качестве которых применялись парокомпрессионные машины А-220 московского завода «Компрессор». В результате трехлетней эксплуатации были подтверж­дены проектные характеристики этой системы, однако частые отказы тепловых насосов обусловили их демонтаж в 1992 г.

К числу масштабных проектов относится разрабатываемая система геотермального теплоэнергоснабжения г. Лабинска Краснодарского края с численностью населения 70 тыс. чел. Геотермальное месторождение вскрыто четырьмя скважинами с дебитами 2500 – 5000 м³/сут и температурой 110 – 120 °С, минерализацией 14 г/л, содержание фенолов составляет до 0,4 мг/л. Прогнозные эксплуатационные ресурсы месторождения оценены в 20 тыс. м³/сут, или 100 МВт. Расчетные тепловые нагрузки объектов города обеспечиваются 21 коммунальной и 25 производственными котельными. Большинство котельных оборудованы малоэффективными чу­гунными котлами и требуют модернизации.

На основе анализа тепловых нагрузок города и ресурсных характеристик месторождений расчетная тепловая мощность геотермальной систе­мы теплоснабжения определена в 60 МВт, установленная электрическая мощность – 4 МВт. При этом предусматривается ее поэтапная реа­лизация с первоочередным использованием трех существующих и бурением одной новой скважины. Все скважины соединяются магистральным теплопроводом, пропускная способность которо­го рассчитана на перспективное развитие до 60 МВт. Стоимость реализации данного проекта согласно разработанному бизнес-плану – 21 млн дол. срок окупаемости – 5 лет.

Включение бинарной электростанции в проект позволит значительно повысить его эффективность путем использования геотермального тепла для выработки электроэнергии в летний неотопительный сезон.

В современных условиях в системах теплоснабжения широко применяют тепловые насосы с использованием геотермальных источников энергии. В большинстве случаев это низкопотенциальные (так называемые грунтовые, или фоновые) геотермальные ресурсы, лежащие на глубине нескольких десятков или сотен метров.

Широкое распространение получили следующие способы извлечения первичного тепла:

– получение геотермальной воды из скважин;

– применение горизонтальных грунтовых теплообменников;

– устройство теплообменников типа «труба в трубе» в скважине;

– сооружение теплообменников в опорах фундаментов и других элементах конструкций зданий.

Для работы компрессоров тепловых насосов обычно применяют электропривод. Наблюдается тенденция снижения верхнего температурного уровня в системах теплоснабжения до 30 – 40 °С с устройством обогрева под полом, что позволяет уменьшить электропотребление компрессоров и повысить эффективность тепловых насосов в целом. Наибольшее развитие эти технологии получили в США, Швеции, Канаде, Германии, Швейцарии и Австрии. В последние годы использование тепловых насо­сов значительно увеличилось. Особенно ярко это выражено в США, где в 1997 г. работало около 45 000 геотермальных тепловых насосов, а в настоящее время прирост их количества составляет около 50 000 шт/год, в том числе 46 % – с использованием закрытых вертикальных теплообменников, 38-горизонтальных и 15 % – открытых систем.

Рис. 7.5. Принципиальная схема использования геотермальных ресурсов для тепло- и электроснабжения г. Лабинска (при температуре воздуха ниже 2,6 ^оС).

Ожидается дальнейший ежегодный рост на 10 % установленной мощности тепловых насосов в США (на сегодняшний день в США установлено более 500 000 тепловых насосов). В Швейцарии в среднем один тепловой насос приходится на 2 км территории. В нормах проектирования и строительства зданий в Швейцарии предусмотрено обязательное использова­ние геотермальных тепловых насосов для теплоснабжения.

Россия, как северная страна с большой территорией, в первую очередь нуждается в развитии локальных систем теплоснабжения с применением тепловых насосов. Для этих целей высокоэффективными являются тепловые насосы с использованием грунтового тепла. Эти технологии активно развиваются в мире, а в настоящее время осваиваются в Москве и других городах России. При строительстве аквадрома и других зданий в Москве предусмотрено применение тепловых насосов для систем нагрева воды и отопления. На юго-западе Москвы успешно работает система горячего водоснабжения 18-этажного жилого дома. Использование тепла грунта земли (шесть скважин-теплообменников на глубине до 30 м) в тепловых насосах вместе с утилизацией тепла вентиляционных выбросов позволяет обеспечить более дешевое, бесперебойное, круглогодичное горячее водоснабжение дома.

На Камчатке все теплоснабжение основано на сжигании привозного мазута из США и угля с Сахалина. Вместе с тем здесь имеются самые большие в стране геотермальные месторождения, тепловая мощность которых оценивается в 5 тыс. МВт, для теплоснабжения используется около 1 % этой тепловой мощности.

Наиболее перспективна разработка Верхне-Паратунского месторождения с температурой воды 85 °С и эксплуатационными запасами 23,3 тыс. м³/сут. Под руководством О.А. Поварова разработана геотермальная система теплоснабжения г. Елизово (пригород г. Петропавловск-Камчатского) расчетной тепловой мощностью 150 МВт. После транспортировки геотермальной воды с расходом 300 л/с от Верхне-Паратунского месторождения по теплопроводу длиной 30 км до г. Елизово ее температура снижается до 75 °С. Для полного использования теплового потенциала геотермального теплоносителя предусмотрена установка тепловых насосов общей расчетной тепловой мощностью 85 МВт. После охлаждения до 10 – 20 °С геотермальная вода сливается в водоем. Расчетный температурный график системы теплоснабжения – 95/60 °С. Установленная электрическая мощность тепловых насосов – 31 МВт, для их привода предполагается использовать электроэнергию от строящейся второй очереди Мутновской геотермальной электростанции мощностью 100 МВт. Реализация проекта позволит закрыть 25 мазутных и угольных котельных. Стоимость осуществления проекта – 50 млн дол., срок окупаемости – 5 лет.

Системы геотермального теплоснабжения существенно отличаются от традиционных. Они состоят из продуктивных и реинжекционных скважин, насосных станций и тепловых пунктов (ТП). Эти ТП имеют специфические тепловые и гидравлические характеристики. К их оборудованию, схемам, режимам эксплуатации предъявляются дополнительные требования.

В России проектирование геотермальных систем теплоснабжения выполняется в соответствии с нормами. Они содержат следующие основные разделы: теплотехнические и экономические принципы использования, схемы и обо­рудование, тепловой расчет систем отопления и охлаждения, регулирование отопления. За основные теплотехнические показатели совершенства геотермальной системы теплоснабжения приняты минимальный расход геотермальной воды и максимальное значение коэффициента эффективности, определяемого по формуле нагрева в годовом тепловом балансе системы геотермального отопления.

Экономические принципы, регламентированные нормами, требуют пересмотра в условиях рыночной экономики. Разделы, касающиеся оборудования, систем отопления и регулирования, основаны на устаревших подходах и технических решениях. Термины и определения не соответствуют общепризнанной международной терминологии. Для развития геотермального теплоснабжения принципиальное значение имело создание в 2003 г. российского Геотермального общества во главе с О. А. Поваровым. Международные семинары в г.Сочи (октябрь 2003 г.), Петропавловске-Камчатском (август 2004 г.), в работе которых приняли участие 180 специалистов из 17 стран, позволили определить приоритеты разви­тия геотермии в России. В заключение можно сделать некоторые выводы:

1. В России имеются значительные ресурсы для развития систем геотермального теплоснабжения и определенный опыт их сооружения и эксплуатации.

2. Для масштабного внедрения геотермального теплоснабжения необходимо использовать мировой опыт, и в первую очередь – реинжекцию на термоводозаборах и тепловые насосы для глубокого охлаждения теплоносителя.

3. Российские нормы проектирования геотермального теплоснабжения целесообразно доработать с учетом проверенных мировой практикой технических решений и оборудования.