Проблемы геотермальной энергетики

Первая проблема — это разведка источников и бурение скважин. Не надо думать, что на ГеоЭС используется пар, выходящий на поверхность из трещин. Для стабильного обеспечения ГеоЭС теплоносителем высоких параметров бурят скважины диаметром чаще всего 146 мм, до глубины залегания горячей воды или пара — иногда до 2,5 км. Есть источники, которые залегают глубже (до 10 км и более), но бурить до них скважины экономически невыгодно.

Бурение скважин обходится дорого. В Краснодарском крае, например, в 2002 г. стоимость бурения одного метра составляла 8 тыс. рублей, а пласт горячей воды располагался на глубине 1800 м, т. е. одна скважина стоила 14,4 млн рублей [4].

Каждая скважина обеспечивает определенный дебит, который ограничивается сопротивлением входа в нее теплоносителя из грунта и давлением теплоносителя. Есть предложения [9] бурить наклонные скважины в водоносном пласте (рис. 2.7), чтобы собирать теплоноситель с большей площади (горизонтальный участок труб — перфорированный). Нефтяники, например, от буровой установки на берегу бурят скважины, чтобы добывать нефть из пластов расположенных под морем на расстоянии до 10 км от берега, причем длина горизонтального участка в нефтяном пласте доходит до 1 км.

 

Рис. 2.7. Наклонное бурение

 

Второй проблемой является экология. В первых ГеоЭС отработанную воду сливали в реку или в озеро (в т.ч. на Паужетке). В разных пластах вода содержит различные соли и растворенные газы и может быть от ультрапресной (минерализация менее 0,1 мг/л) до сверхкрепкой (общая минерализация более 600 г/л). Состав выходящего с водой газа тоже различен. Самым опасным компонентом является H₂S, кроме него могут быть аммиак NH₃, С0₂, СH₄ и другие.

Выделение H₂S и С0₂ привело в районе ГеоЭС Вайракен (Н. Зеландия) к чрезвычайно быстрому росту некоторых видов микроскопических водорослей в близлежащем озере. Темп их роста настолько высок, что озеро приходится очищать раз в 2 недели. Для человека смертельной является концентрация H₂S в воздухе, равная 600 млн (т. е. 0,06% по объему), запах H₂S человек ощущает при концентрации 0,002 млн^-1 (две миллиардных доли), ПДК в воздухе равна 0,008 мг/м³. Интересно, что еще до строительства Мутновской ГеоЭС концентрация H₂S в приземном слое составляла 0,09 мг/м из- за естественных выходов термальных вод [8].

Экологически вредным является шум, возникающий из-за того, что на дневной поверхности резко падает давление геотермального флюида. Как пишет Дэвинс[2], этот шум перерастает иногдав оглушительный рев. Для борьбы с ним ставят шумоглушители, стараются сделать станции полностью автоматизированными, чтобыв зоне шума персонала не было.

Наконец, сегодня экологи запрещают сбрасывать на «дневную поверхность» (т. е. в пруды и другие водоемы) воду с температурой, превышающей 30°С. Горячую воду приходится разбавлять холодной, а надежнее — закачивать обратно в пласт.

Третья проблема — истощение геотермального источника и изменение геологии. Отбор из водоносных пластов больших количеств воды приводит к проседанию грунта. На той же ГеоЭС Вайракен за период с 1956 по 1980 г. грунт опустился на 4 м [2].

Поэтому на новых станциях отработанную воду закачивают обратно в пласт. С этой водой стараются вернуть и газы (особенно H₂S), растворяя их перед подачей воды в скважину, как на Верхне-Мутновской ГеоЭС (см. рис. 2.5). Закачивание воды потребляет много энергии. На станции в Лардерелло из общей мощности турбин (4х26)+(2х9)=122 МВт две турбины суммарной мощностью 18 МВт работают на покрытие собственных нужд, прежде всего — на закачку конденсата обратно в водоносный пласт.

В долине гейзеров (США) бурят скважины глубиной до 2,5 км, откуда выходит практически сухой пар. Пока там были только гейзеры, расход пара был небольшим, пар выходил веками. После того как построили мощные ГеоЭС, забирающие большое количество пара, дебит скважин стал падать. С 1995 по 2000 г. мощность ГеоЭС на этом геотермальном источнике уменьшилась почти на 600 МВт.

В Краснодарском крае за 30 лет эксплуатации одной из скважин глубиной 2500-2450 м (50 м — участок с перфорациями для забора воды), дающей воду для теплоснабжения, ее дебит без обратной закачки воды уменьшился в 2,6 раза, а статическое давление на выходе упало с 0,924 до 0,346 МПа. Для поддержания дебита принято решение закачивать использованную воду обратно в пласт (сейчас ее сливают в пруд, предварительно разбавляя холодной водой [10]).

Четвертая проблема— коррозия оборудования и солеотложение. Термальные воды содержат растворенные агрессивные газы (H₂S, С0₂ и др.), что требует выбора соответствующих материалов для труб и оборудования. Иногда приходится бороться с солеотложением. В этих вопросах каждое месторождение имеет свою специфику, но в целом все это удорожает получаемую энергию и создает серьезные трудности при эксплуатации.

 

Контрольные вопросы к главе 2

1. Что понимается под геотермальной энергией?

2. Для каких целей и как используется тепловая энергия подземных источников?

3. Что такое геотермическая ступень?

4. Какую температуру имеет флюид в устье скважины?

5. Зачем воду, отделенную в сепараторе от пара на ГеоЭС, закачивают обратно в пласт?

6. Какие экологические проблемы связаны с эксплуатацией ГеоЭС?

7. Флюид, выходящий из скважины, обычно содержит вредные газы (H₂S, NH₃ и др.). Как предотвратить их попадание в атмосферу?

8. Перечислите основные элементы, входящие в схему ГеоЭС.

9. Куда девают конденсат, образующийся из пара, отработавшего в турбине Гео ЭС?

Задачи к главе 2

2.1. а) Рассчитать работу, совершаемую при расширении в турбине Паужетской ГеоЭС килограмма сухого насыщенного пара, выходящего из сепаратора с избыточным давлением р_из6 =0,15 МПа. Температура в смешивающем конденсаторе за турбиной равна 100°С.

б) Сколько теплоты отдает каждый килограмм выходящего из турбины пара в систему отопления? Внутренний относительный КПД турбины р₁ =0,8. Барометрическое давление B =0,1 МПа.

2.2. а) Рассчитать работу, совершаемую при расширении в турбине Верхне-Мутновской ГеоЭС килограмма сухого насыщенного пара, выходящего из сепаратора с абсолютным давлением р₁ =0,8 МПа. Давление пара в конденсаторе за турбиной р₂= 4,0 кПа. Внутренний относительный КПД турбины N_oi = 0,8.

б) Рассчитать расход D пара через турбину Верхне-Мутновской ГеоЭС, необходимый для получения мощности N_i =12 МВт.