Статья: Солнечное излучение и геотермальное тепло – источники энергии для комбинированных систем энергоснабжения

Как видно из таблицы 4 вертикальное движение подземных вод может в некоторых случаях полностью изменить облик геотермальных полей. Как следует из таблицы 4 (где приведены расчеты при L₂ = 2700 м, q = 56,0, л = 2 Вт/(м•К), при скоростях фильтрации до 10 см/год и мощности отложений (через которые осуществляется восходящее движение), равное первым сотням метров, приращения температур и тепловых потоков могут стать соизмеримыми и превышать нормальные характеристики геотемпературных полей.

Вертикальная миграция подземных вод дает гораздо меньший геотермический эффект в том случае, если площадь распространения незначительна.

Поскольку такие вертикальные движения флюидов могут наблюдаться в областях питания или разгрузки подземных вод через слабопроницаемые отложения (за счет разницы давлений в подстилающих и перекрывающих водоносных горизонтах), по тектонически нарушенным зонам, вследствие естественной конвекции в залежах нефти и газа, то их надо выявлять и использовать. Даже при их ограниченном количестве. Использование таких месторождений залог эффективного развития геотермальной энергетики.

По второй задаче.

Так как все геотермальные станции мира являются наземными, то этим обусловлен их существенный недостаток: поступая к турбинам по скважинам, пар или горячая вода за время транспортировки теряют до 30 % температуры и давления.

Поэтому для увеличения срока эксплуатации скважин, практика использования геотермальных источников в России иногда включает в себя накапливание гидротеплопотенциала в летний период, когда для целей теплоснабжения используется солнечная энергия.

Обоснование такого перерыва в использовании геотермального тепла можно проиллюстрировать графиками рисунков 3 и 4 [7].

Рисунок 3 - Характер изменения температуры теплоносителя (флюида, подземных вод) в нагнетательной (а) и в эксплуатационной скважине (б) с увеличением времени циркуляции (t)

На рисунке 3 мы имеем пример графического изображения изменения температуры теплоносителя в скважинах и тепловом коллекторе, расположенном на глубине нескольких километров.

t₁ (а₀ - а₁) и t_2,3 (а₀ - а_2,3) -- это линии (графики) изменения температуры теплоносителя при его движении в нагнетательной скважине вниз в различные периоды эксплуатации. t₁ (б_1,2 - в₁), t₂ (б_1,2 - в₂) и t₃ (б₃ - в₃) -- это линии изменения температуры теплоносителя при его движении в эксплуатационной скважине вверх в различные периоды эксплуатации. t₀ -- это график естественного изменения температуры недр по глубине, для рассматриваемого геотермального месторождения. Линия а_2,3 - б₃(б_1,2) характеризует изменение температуры теплоносителя при его движении в коллекторе от нагнетательной к эксплуатационной скважине.

В начальный период эксплуатации скважин, изменение температуры теплоносителя будет соответствовать циклу а₀ - а₁ - б_1,2 - в₁ - а₀. В этот период времени массив грунта вокруг средней и нижней частей нагнетательной скважины имеет достаточно высокую температуру, и поэтому теплоноситель будет значительно нагреваться на пути к коллектору. Точка а₁ смещена вправо. В то же время поскольку средний и приповерхностный массив грунта вокруг эксплуатационной скважины имеет низкую температуру, особенно у поверхности, то точка в₁ смещена влево (средние и приповерхностные слои грунта охлаждая теплоноситель аккумулируют теплоту, чтобы часть её отдать потом, по мере истощения термального ресурса коллектора, теплоносителю в конце срока эксплуатации скважин).

В процессе эксплуатации скважин и выработки геотермального тепла цикл изменения температуры постепенно смещается и начинает переходить через точки а₀ - а_2,3 - б_1,2 - в₂ - а₀. В этот период температура на выходе из эксплуатационного коллектора максимальна, а значит эффективность работы самая высокая (если конечно дебит скважин не изменился и расход энергии на прокачку теплоносителя через коллектор резко не возрос).

При завершении эксплуатационного периода цикл изменения температуры проходит по точкам а₀ - а_2,3 - б₃ - в₃ - а₀. Это период быстрого расходования запасов тепла не столько коллектора, сколько тепла аккумулированного массивом грунта, охватывающего эксплуатационную скважину.

Удается ли восстанавливать (пополнять) и насколько геотермальные ресурсы при перерывах в работе скважин в летний период однозначного ответа мы можем и не получить, т.к. глубинный массив грунта вокруг нагнетательной скважины однозначно будет прогреваться, а верхний остывать. В то же время нижний массив грунта вокруг эксплуатационной скважины может или повысить или вероятнее всего понизить температуру, а верхний понизить за счет рассеивания тепла в удаленные от скважины области. Здесь большое значение имеет наличие артезианских вод на глубинах 1 - 1,5 км, их температура и подвижность. Кроме того, сам коллектор отделенный от нижнего и верхнего горизонтов теплоизоляционными слоями глины может не получить ожидаемого (требуемого) количества тепла.

Рисунок 4 - Распределение температуры недр: 1 - на момент окончания эксплуатации; 2, 3 - соответственно через 8 и 32 года после окончания эксплуатации.

Приведенное на рисунке 4 распределение температур получено решением уравнения теплопроводности по неявной схеме для следующих исходных данных: глубина нейтрального слоя 25 м, температура нейтрального слоя 3 ?С, глубина залегания эксплуатируемого коллектора 3 км, мощность коллектора 300 м, начальная температура пород 250 ?С, минимальная температура ПТК (в окрестности нагнетательной скважины) 65 ?С, период установления минимальной температуры 1 год, продолжительность эксплуатации ПТК 10 лет, максимальная глубина расчета температур 6 км.

Результаты расчета (рис. 4) показывают что, если в период эксплуатации зона температурного возмущения распространяется на сравнительно небольшое расстояние от коллектора, то в период восстановления она довольно быстро охватывает значительную толщу вмещающих пород. Однако изменения температуры приповерхностных слоев невелики и вряд ли могут представлять какую-либо опасность для окружающей среды. Очевидно, они могут заметно влиять на температуру нейтрального слоя только при сравнительно небольшой глубине залегания эксплуатируемого горизонта, что встречается редко на практике.

Как видно из рисунков 3 и 4 геотермальное месторождение только условно можно считать возобновляемым источником энергии из-за того, что при его полной или частичной выработке восстановление ресурса тепла идет очень медленно, дольше жизни одного поколения, когда наиболее дорогая часть работ (пробуренные скважины) практически не имеют ликвидной стоимости.

И в то же время климатические условия для ГеоЭС в средней полосе России уникальны из-за аномально низких температур. Это позволяет снизить температуры конденсации, особенно зимой, что может дать прирост (на 20 - 40 %) в выработке электроэнергии по сравнению с ГеоЭС, которые расположены в районах жаркого и умеренного климата.

Использование геотермального тепла зимой могло бы обеспечить выработку разнообразных видов энергии для организации различной производственной деятельности. Но для этого геотермальной энергетике, чтобы стать эффективной на территории России требуется решить ряд сложных задач приведенных выше.

Использование геотермальных месторождений зимой имеет еще один плюс.

Солёную воду геотермальных источников с большим дебитом зимой можно с минимальными затратами опреснять.

Замораживание соленой воды на юге СНГ часто используют для опреснения воды. Сущность использования данного физического процесса -- вымораживания состоит в следующем. Поскольку температура замерзания соленой воды ниже 0 ?С, поэтому при вымораживании её образуются кристаллы пресного льда, смерзающиеся в агрегаты. Каждый агрегат представляет собой группы кристалликов пресного льда, между которыми имеются области, заполненные рассолом. При быстром растапливании таких агрегатов получается лишь частично опресненная вода. Однако если нагревание такого льда производить постепенно, например, за счет энергии Солнца, замерзший между кристалликами пресного льда рассол, перейдет в жидкое состояние и будет стекать раньше, чем начнут таять сами кристаллы пресной воды. Растаявший рассол направляют (стекает) в отдельные резервуары, лед опресняется и при дальнейшем таянии образуется пресная вода, которую отводят в сборный резервуар [8].

При строительстве (возведении) новых солнечный соляных прудов, получение солевых растворов, можно осуществлять в условиях Сибири зимой используя метод факельного намораживания. Известный метод можно использовать по своему не прямому назначению, а для повышения концентрации соли в воде, предназначенной для нижнего слоя пруда. Традиционно, метод факельного намораживания используют для опреснения морских и соленых подземных вод. На морозе их пропускают через дождевальную установку, рядом с которой будет формироваться массив искусственного фирна. Поскольку он хорошо фильтрует воду, соленая вода из него стечет и ее надо будет отвести по каналу или естественному руслу в пруд. Оставшийся фирн окажется практически пресным [9].

Конечно, при интенсивном использовании зимой геотермального месторождения, уже не стадии проектирования зданий и сооружений не следует забывать о преобразовании ими зимой солнечного излучения в тепло (фототермальное преобразование). Оно может быть как пассивным (с использованием пассивных солярных элементов зданий -- застекленные фасады, зимние сады), так и активным (с использованием дополнительного технического оборудования). Преимуществом пассивных систем является то, что для их эксплуатации не требуется никакого дополнительного оборудования. Используется солнечный свет, попадающий внутрь здания (сооружения) через окна или прозрачные поверхности. Данную систему следует проектировать с учетом максимального использования поступившей энергии для других помещений. Самым подходящим здесь являются капитальные дома, позволяющие на непродолжительное время аккумулировать избыток энергии. Принципиальным здесь также является вид и регулирование системы отопления.

Пассивная система должна составлять со зданием единое гармоничное целое; этого проще всего добиться в новых постройках. Старые здания можно реконструировать (сделать застекленные пристройки, веранды и т. п.). Однако здесь необходимо принимать во внимание риск перегрева здания в летний период, для чего нужно установка соответствующей системы вентиляции, аккумулирования тепла строительными конструкциями.

Энергетическая выгода пассивной системы зависит от способа использования здания -- например, дополнительное застекление лоджий экономически выгодно только в том случае, когда она зимой не отапливается.

Общим для обоих источников тепла является то, что как температурный потенциал солнечного соляного пруда, так и геотермального источника [10] можно использовать в одних и тех же различных областях (таблица 5).

Таблица 5 - Области использования теплоты солнечного соляного пруда и геотермального источника

Как видно из изложенного, солнечное излучение и геотермальное тепло могут стать источниками энергии для комбинированных систем энергоснабжения в России, круглогодично обеспечивая важные области быта и производства энергией соответствующего потенциала.

Список литературы

энергия солнечный тепло

1 Муругов В.П. Расширение сферы использования энергии возобновляемых источников // Техника в сельском хозяйстве. 1996. № 2. С 17 - 19.

2 Чудинов Д.М., Щукина Т.В. Использование гелиосистем для различных регионов России // Энергосбережение. 2009. № 7. С 64 - 66.

3 Осадчий Г.Б. Солнечная энергия, её производные и технологии их использования (Введение в энергетику ВИЭ) Омск: ИПК Макшеевой Е.А., 2010. 572 с.

4 Всемирный геотермальный конгресс WGC-2005 // Теплоэнергетика. 2006. №3. С 78 - 80.

5 Ионин А.А. Теплоснабжение М.: Стройиздат, 1982. 240 с.

6 Курчиков А.Р., Ставицкий Б.П. Геотермия нефтегазовых областей Западной Сибири. М.: Недра, 1987. 134 с.

7 Дядькин Ю.Д., Парийский Ю.М. Извлечение и использование тепла Земли. Л.: 1997.

8 Ачилов Б.М. Жураев Т.Д., Шадыев О.Х. Солнечные опреснители и холодильники. Ташкент: Фан, 1976. 104 с.

9 Котляков В.М. Снег и лед в природе Земли. М.: Наука, 1986. 160 с.

10 Доброхотов В.И., Поваров О.А. Использование геотермальных ресурсов в энергетике России // Теплоэнергетика. 2003. № 1. С 2- 11.