Лекция: Геотермия на Камчатке

Геотермия на Камчатке

Использование геотермальной энергии в народном хозяйстве (Диаграмма Линдела)

Потенциальные геотермальные ресурсы в мире огромны, но как было показано Гудмундсоном (Gudmundsson, 1988), имеется ряд ограничений их возможного использования в народном хозяйстве. Эти ограничения могут быть технического, экономического характера или специфики места локализации (удалённости от потребителя). Месторождения геотермальных ресурсов играют важную роль с точки зрения их использования. В случаях геотермальных электростанций реальность их строительства совершенно очевидна; все такие электростанции строятся в местах нахождения геотермальных ресурсов. Однако в случаях непосредственного использования геотермального тепла этот аспект реализации менее ясен. Геотермальные ресурсы, находящиеся в городской среде, наиболее вероятно будут использоваться, в отличие от тех гидротерм, которые удалены на небольшие расстояния. Совместимость геотермальных месторождений и пользователя становится менее важным, когда стоимость энергии влияет на выполнимость проекта.

Прямое использование энергии имеет значительный потенциал в большинстве стран, где есть геотермальные ресурсы. Во-первых, хотя производство электричества технически выполнимо при низких и средних температурах геотермального теплоносителя, имеется экономический предел температуры гидротерм для рационального производства электроэнергии. Во-вторых, низко- и среднетемпературный нагрев за счёт высококалорийных ископаемых топлив, приводит к низким эксплуатационным характеристикам энергетического оборудования. Вовлечение геотермальных ресурсов в систему тепловых потребностей может привести к лучшему использованию энергоресурсов. В-третьих, большая доля необходимых ресурсов во многих странах связана с нагревом низко- и среднетемпературного теплоносителя.

Требуемые средние температуры гидротермального теплоносителя в промышленно развитых странах были оценены Reistad (1975). Верхний предел 250⁰С оценивался для потенциального применения геотермальной энергии. Все виды энерго потребностей в США, рассчитанные от 25⁰С до этого температурного предела, колебались в пределах 50-250⁰С. Было определено, что значительная доля общего количества энергии используется ниже 120⁰С. Расход энергии на нагрев помещений 50-75⁰С температурным теплоносителем составлял 50% от общего расхода тепла ниже 250⁰С. Результаты Рейстада схематически показаны на Рис.16, который иллюстрирует распределение используемого тепла.

геотермальный энергия экономический загрязнение

Рис.16 Распределение используемой энергии

Около трети общих энергозатрат во Франции приходится на теплоноситель с температурой ниже 100⁰С (Lejeune, Varet, 1981). В Исландии отопление помещений составляет около 45% общих энергетических расходов (Gudmundsson, 1983,а), из которых большая доля удовлетворяется за счёт геотермальной энергии. Предполагается, что в будущем прямое использование геотермальных ресурсов будет сосредоточиваться на местах, расположенных вблизи геотермальных месторождений.

Диаграмма Линдела. Многие виды потребления геотермальной энергии легко иллюстрируются диаграммой Линдела (Lindel, 1973; Gudmundsson et al.,1985; Рис.17.) Диаграмма показывает примеры настоящего и будущего употребления геотермальной энергии в значениях используемых температур. Широко известное использование включает: рыборазводное производство; плавательные бассейны и бальнеологию; нагрев зданий и теплиц; сушка, выпаривание и производство электрической энергии. Имеется много примеров этих и других видов прямого использования геотермальной энергии. Она охватывает температурный интервал гидротерм от 20⁰С до почти 200⁰С. В верхнем температурном пределе насыщенный пар используется в генераторах электростанций. Однако прямое употребление охватывает весь температурный интервал диаграммы Линдела.

Диаграмма Линдела подчёркивает два встречно направленных аспекта природы прямого употребления геотермальных ресурсов: а) каскадное и комбинированное употребление предполагает возможность усовершенствования выполняемых геотермальных проектов, б) температура эксплуатируемых гидротерм может ограничить набор возможного вида их потребления. Однако изменение цели существующих тепловых процессов может в некоторых случаях сделать данные гидротермы, пригодные к использованию.

Использование геотермальных ресурсов в России (Kononov et al., 2000)

В России энергетическая промышленность базируется, в основном, на использовании ископаемых видах топлива (уголь, нефть, газ) и эксплуатации ядерных и гидроэлектростанций. Вклад геотермальной энергии относительно небольшой, хотя в наличии имеются значительные геотермальные ресурсы.

В настоящее время экономическая ситуация не способствует развитию геотермальной энергетики. Наличие топливных и транспортных трудностей отягощает проблемы энергетического обеспечения в северных и восточных регионах страны. В особенности ситуация ухудшилась после августовского кризиса 1998 г. на Камчатке, где до настоящего времени геотермальные ресурсы использовались в очень ограниченном масштабе по сравнению с потенциальными возможностями.

Кроме Курило-Камчатского региона, который изобилует современными вулканическими проявлениями и высокотемпературными гидротермальными системами, другие гидрогеологические провинции России также содержат значительные геотермальные ресурсы. Среди них следующие: 1)Кавказский сегмент альпийского тектонического пояса, 2) современная Байкальская рифтовая зона, 3) эпигерцинская Скифская плита Предкавказья, 4)Западно-Сибирская плита эпигерцинского возраста (Рис.18) Последние два региона содержат термальные воды (Т=100-200⁰С) в осадочном покрове, тогда как в двух других районах геотермальные ресурсы размещены в водовмещающих комплексах трещиноватых пород. Кроме того, часть геотермальных ресурсов находится в дорифейских образованиях Восточно-Европейской и Сибирской платформ, в палеозойских складчатых поясах Урала, Алтая и Саян, а также в мезозойском вулканическом поясе Чукотка-Катазия. Эти регионы менее перспективны на геотермальные ресурсы; они содержат поровые и трещинные гидротермальные системы с температурами 50-70⁰С на глубине примерно 3 км. Геологическая структура, гидрологические условия и геотермаческие характеристики этих районов описаны более детально в работах Kononov (1992) и Kononov et al.(1995).

Рис.17. Диаграмма Линдела

Рис.18 Геотермальные районы России

Производство электрической энергии. Тепловые электростанции, работающие на органическом топливе, недавно производили 69% всей электроэнергии в России. Гидроэлектростанции и атомные электростанции давали 20% и 11%, соответственно Геотермальные электростанции дают лишь 0.06%, несмотря на увеличение их количества и их мощности по сравнению с предыдущими периодами (табл.3)

Таблица 3. Планируемое производство электроэнергии

Разведка геотермальных ресурсов для электростанций началась в 1957 г., когда была пробурена первая скважина на Паужетском геотермальном поле, расположенном на юге Камчатки. В последующие годы значительные геотермальные ресурсы были открыты на полуострове в результате усилий многих исследователей. Однако скорость и масштаб промышленного освоения геотермальных ресурсов ниже как потенциала Камчатки, так и экономических потребностей в электрической и тепловой энергий.

Паужетская электростанция начала работать в 1967 г. В это время установленная мощность была 5 МВт. В последующем она была увеличена до 11 МВт. Семь скважин извлекали 250кг/с пароводяной смеси с энтальпией 760-800 кДЖ/кг. Всего на этом геотермальном поле было пробурено 79 продуктивных скважин, которые могли обеспечить увеличение мощности до 18 МВт.

Высокотемпературное Северо-Мутновское термальное поле длительное время рассматривалось в качестве важного объекта для строительства электростанции на Камчатке. Его поверхностные проявления, так называемые Дачные источники, были описаны в 1960 г. Эксплуатационное бурение началось в 1979г. Было пробурено 82 скважины, глубиной от 255 до 2266 м. Пародоминирующий резервуар, содержащий гидротермальный пар с энтальпией 2100-2700 кДж/кг, был вскрыт в интервале глубин 700-900 м. Он перекрывается резервуаром, преимущественно с жидкими гидротермами, энтальпии которых 1000-1500кДж/кг (Т=250-310⁰С).

В настоящее время могут эксплуатироваться 17 скважин с общим расходом 330кг/с гидротерм со средней энтальпией 1600кДЖ/кг. Строительство электростанции планировалось закончить в 70-х годах, но этот план начал реализовываться лишь в 1990 годах. Сейчас на верхнем секторе Северо-Мутновского геотермального поля, названного Верхне-Мутновским введены в строй три действующих 4-х МВт турбины, изготовленные на Калужском турбостроительном заводе. Два других турбогенераторных блока, один мощность 3 МВт и другой с бинарным циклом 6 МВт, строится в этом секторе. В 1999 г построена линия электропередачи от электростанции к потребителю.

Для сектора Дачного того же Северо_Мутновского поля был разработан проект строительства Мутновской электростанции, мощностью до 300 МВт. Проект поддерживается заёмом (99.9 млн. US $) Европейского банка Реконструкции и Развития. Кроме того, этот заём даётся для поддержания буровых скважин и дополнительных геофизических исследований по уточнению геотермальных ресурсов этого сектора.

Кроме Паужетского и Северо-Мутновского геотермальных полей на Камчатке имеется ряд высокотемпературных геотермальных систем (Рис.19) Частично разведанное Нижне-Кошелевское термальное поле является очень перспективным местом, содержащим в своих недрах гидротермы с энтальпией до 2800кДж/кг. Оно располагается недалеко от Паужетского поля. Эксплуатация обоих этих геотермальных объектов могла бы стать важной энергетической базой для камчатской экономики. Другим важным местом такого же типа является Больше-Банное поле, где естественная тепловая разгрузка оценивается в 79 МВт. Это поле уже разведано, общая разгрузка кипящих терм оценивается в 285 л/с.

Рис.19 Геотермальные ресурсы Камчатки.

Киреунское термальное поле, расположенное в северной части Центральной Камчатской депрессии, также разгружает кипящие термы, тепловая мощность которых оценивается 24 МВт. Кроме того, имеется Семячинское поле, расположенное в Кроноцком заповеднике, которое включает знаменитую Долину Гейзеров. Строго ограниченное использование Семячинского поля (для строительства небольшой электростанции, мощностью 5 МВт) могло бы помочь развитию туризма в заповеднике. С учётом геотермальных ресурсов Кроноцкого заповедника на Камчатке можно построить электростанции, общей мощностью 1130 МВт э. (Sugrobov, 1995).

Кроме высокотемпературных гидротерм с энтальпией более 700кДж/кг, низкотемпературные горячие воды с пластовыми температурами до 150⁰С могут использоваться для электростанции с бинарным циклом, в которых используются теплообменники с низкокипящими жидкостями.

Экспериментальная геотермальная электростанция с установленной мощностью 800 киловатт, была построена в 60-х годах на Паратунской низкотемпературной системе.

Курильские острова имеют благоприятные геотермальные условия для производства электроэнергии. На острове Итуруп Океанская геотермальная электростанция проектируется на 30МВт (Рис.18). Здесь готовы к эксплуатации 9 скважин. Две другие электростанции будут строиться на островах Парамушир и Кунашир.

Другим районом, где имеются данные для строительства геотермальных электростанций, является Северный Кавказ. В этом районе выделяется две геотермальные провинции. Первая включает ороген Большого Кавказа вместе с Предкавказским прогибом, вторая располагается в структуре эпигерцинской скифской плиты. Осадочный чехол плиты и прогибов вмещает значительные объёмы горячих вод. Поскольку эти гидротермы высокоминерализованы, то они могут использоваться лишь в бинарном цикле с закачкой отработанного теплоносителя обратно в водоносные горизонты. В настоящее время разрабатывается проект такой электростанции, мощностью 3 МВт. Однако высокая минерализация гидротерм (>100г/кг), относительно низкая температура (150-170⁰С), большая глубина (>4000 м) и необходимое высокое давление при закачке отработанного теплоносителя (7МПа) делает реализацию этого проблематичной.

Прямое использование геотермальных ресурсов. Гидротермы в России используются в подавляющем большинстве случаев для обогрева помещений. Они используются в сельскохозяйственных целях (теплицы, нагрев почвы, в рыборазведении, животноводстве, хлебопечении), в различных промышленных процессах (ткачество, промывание шерсти, бумажном производстве, сушке шерсти, извлечение нефти), а также в бальнеологии и для отдыха. Прямое использование земного тепла наиболее распространено в Курило-Камчатском и Северо-Кавказском регионах, а также в Западно-Сибирской и Кавказской провинциях. (Табл.4).