Возобновляемые источники энергии

1
2
5
3
4
Рис. 1.22. Геотермальная циркуляционная система с наклонно направленными сква-
жинами:
1
, 
2
— добычная и нагнетательная наклонные скважины; 
3
— потребитель тепла; 
4
—
нагнетательный насос; 
5
— эксплуатируемый пласт
1
1
1
1
1
3
2
а
)
б
)
Рис. 1.23. Расположение скважин в кусте (вид сверху):
а
— схема с двумя скважинами; 
б
— схема с нагнетательной вертикальной скважиной, рас-
положенной в центре куста; 
1
— наклонная добычная скважина; 
2
— наклонная нагнета-
тельная скважина; 
3
— вертикальная нагнетательная скважина большого диаметра

---

112
и соответственно зона дренирования, а также поверхность фильтра-
ции. Разветвление скважин и горизонтальное бурение возникли на
основе техники и технологии наклонно направленного бурения
забойными двигателями и является по существу его дальнейшим раз-
витием.
1.7. Использование геотермальной энергии 
для выработки электроэнергии
1.7.1. Развитие геотермальной электроэнергетики
Одним из важных направлений использования тепла термальных
вод является преобразование его в электрическую энергию. Относи-
тельная независимость от потребителей, экономичность при умерен-
ной мощности и особая ценность электрической энергии обусловили
приоритетное развитие геотермальных станций (ГеоЭС). Во многих
странах достигнуты значительные успехи в этой области. Принято
считать, что если температура геотермального флюида ниже 100 °С,
то его целесообразно использовать только для теплоснабжения, а
высокотемпературные источники — для производства электроэнер-
гии. Легко доступных геотермальных месторождений с температу-
рой более 100 °С на земном шаре сравнительно немного [68].
Мировой потенциал изученных геотермальных ресурсов состав-
ляет 0,2 ТВт электрической и 4,4 ТВт тепловой мощности. Примерно
70 % этого потенциала приходится на месторождения с температу-
рой флюида менее 130 °С. По оценкам используется около 3,5 %
мирового геотермального потенциала для выработки электроэнергии
и только 0,2 % — для получения тепла.
Первая геотермальная электростанция с экспериментальным гене-
ратором мощностью 10 кВт была сооружена в 1904 г. в г. Лардерелло
(Италия). Новейшие энергетические технологии с использованием
геотермальных ресурсов отличаются экологической чистотой и по
эффективности приближаются к традиционным. На ГеоЭС, где
используют ГЦС-технологию и бинарный цикл (БЭС), полностью
исключены выбросы диоксида углерода в атмосферу, что является
важным преимуществом таких энергетических установок.
Развитие геотермальной электроэнергетики мира характеризуется
следующими данными. За 60 лет (с 1940 по 2000 г.) установленная
мощность геотермальных электростанций увеличилась от 130 МВт
до 7974 МВт, то есть в 61 раз. С 1995 по 2000 г. рост установленной
мощности составил 17 %, т.е. немногим более 3 % в год. К началу
2005 г. ГеоЭС работали в 24 странах мира, суммарная установленная
мощность достигла 8910,7 МВт. С 2000 по 2005 г. увеличение мощ-
ности составило 12 % (табл. 1.12).

---

113
Та бл и ц а 1.12
Установленная мощность геотермальной электроэнергетики 
в различных странах (МВт) [19, 56]
П р и м еч а н и е. * В этих странах энергоблоки выведены из работы.
Страна
Год ввода 
первого 
генератора
Годы
1980
1990
1995
1998
2000
2005
Аргентина*
1988
0,7
0,7
0,7
0
0
Австралия
1987
0,2
0,4
0,2
0,2
Австрия
1
Китай
1970
19
29
32
29,17
28
Коста-Рика
55
120
142,5
163
Эль Сальвадор
1975
100
95
105
105
161
151
Эфиопия
8,52
7
Франция
1983
4,2
4,2
4,2
4,2
15
Германия
0,2
Греция*
1985
2,0
2,0
2,0
0
0
Гватемала
5
33,4
33,4
Исландия
1969
40
39
50
140
170
202
Индонезия
1979
145
310
589,5
589,5
797
Италия
1973
420
504,2
632
769
785
790
Япония
1966
250
215
414
530
546,9
535
Кения
1981
45
45
45
45
127
Мексика
1973
150
665
753
743
755
953
Новая Зеландия
1958
250
283
286
364
437
435
Никарагуа
1982
35
70
70
70
77
Папуа—Новая
Гвинея
6
Филиппины
1977
250
894
1191
1861
1909
1931
Португалия
1979
3
11
16
16
Россия
1967
11
11
11
15
23
79
Таиланд
0,3
0,3
0,3
0,3
0,3
Турция
1974
20
20
20
20,4
20,4
США
1960
700
2775
2817
2850
2228
2544
ВСЕГО
2171
5867
6798
8239 7974,1 8910,7

---

114
Лидерами по установленной электрической мощности ГеоЭС
являются США — 2544, Филиппины — 1931, Мексика — 953, Индо-
незия — 797, Италия — 790, Япония — 535, Новая Зеландия — 435,
Исландия — 202 МВт. Годовая выработка электроэнергии на ГеоЭС
мира в 2004 г. составила 56 798 ГВт
æ
ч [19]. В конце 2008 г. суммар-
ная мощность ГеоЭС во всем мире увеличилась до 10500 МВт. Круп-
нейшим производителем геотермальной электроэнергии остается
США, с суммарной мощностью ГеоЭС 3000 МВт [78].
Геотермальная электроэнергетика по установленной мощности
является значительной частью возобновляемой энергетики, развива-
ется умеренными темпами 3—5 % в год и является одной из самых
экономически эффективных технологий [19].
Геотермальные электростанции, уступая ветровым электростан-
циям в суммарной установленной мощности, существенно превосхо-
дят их по выработке электроэнергии (70 против 27 %), что свидетель-
ствует о высокой эффективности геотермальных энергетических
технологий.
Результаты анализа технико-экономических показателей техноло-
гий производства электричества с использованием различных ВИЭ
свидетельствуют о существенных преимуществах ГеоЭС. Так на сов-
ременных ГеоЭС самый высокий в нетрадиционной энергетике коэф-
фициент использования мощности достигает 90 %, что в 3— 4 раза
выше, чем для технологий с использованием солнечной, ветровой и
приливной энергии. Стоимость производимой на современных
ГеоЭС электроэнергии в среднем на 30 % и в 10 раз ниже, чем на вет-
ровых и солнечных электростанциях. Преимуществом ГеоЭС также
является приемлемый уровень удельных капитальных вложений —
около 1000—3000 дол/кВт установленной мощности.
В табл. 1.13 приведены страны, в которых геотермальная электро-
энергия составляет заметную долю в суммарном производстве элект-
роэнергии [68].
Существующие ГеоЭС в основном используют природный пар,
добываемый на месторождениях в районах современного вулка-
низма.
Первая в мире бинарная электростанция (Паратунская ГеоЭС)
построена в 1967 г. на Камчатке. После этого разработка отечествен-
ных ученых получила широкое распространение в мире и в настоя-
щее время в разных странах работают более 1000 бинарных энерго-
блоков. Применение рабочих тел с низкой температурой кипения в
циклах бинарных электростанций увеличивает эффективность
использования среднепотенциальных вод и открывает широкие воз-
можности для решения проблемы энергообеспечения удаленных
регионов России. В 1967 г. на юге Камчатки была построена Паужет-

---

115
ская ГеоЭС мощностью 11 МВт, которая в настоящее время продол-
жает производить самую дешевую электроэнергию, обеспечивая ею
пос. Озерная. С 1999 г. находится в эксплуатации Верхне-Мутнов-
ская опытно-промышленная ГеоЭС мощностью 12 МВт. В ближай-
шее время планируется увеличение мощности станции до 19 МВт
благодаря строительству дополнительного энергетического блока с
комбинированным циклом (паровая турбина мощностью 2,5 МВт и
бинарная установка на изопентане 4,5 МВт).
В основу создания Верхне-Мутновской ГеоЭС заложена экологи-
чески чистая схема использования геотермального теплоносителя с
воздушными конденсаторами, которая позволяет отобрать энергию
от пара в турбинах, а конденсат направить в скважины закачки, что
позволяет избежать попадания теплоносителя в атмосферу. Двухфаз-
ный поток из трех добычных скважин направляется по трубопрово-
дам в коллектор. Далее после двухступенчатой системы разделения
фаз пар из сепараторов поступает к трем энергоблокам мощностью
по 4 МВт каждый. Пар перед турбинами при давлении 
p
0
= 0,8 МПа и
температуре 170 °С осушен полностью, степень его влажности не
превышает 0,05 %. Горячая вода после сепараторов направляется в
расширитель, где испаряется при давлении 0,4 МПа. Образующийся
пар используется в эжекторах для удаления неконденсирующихся
газов и в первую очередь сероводорода. Сероводород, удаленный из
конденсатора, поступает в абсорбер, где растворяется в конденсате и
далее эта смесь для закачки направляется в нагнетательную сква-
жину [57].
Та бл и ц а 1.13
Производство электроэнергии на ГеоЭС
П р и м еч а н и е. В скобках даны доли ГеоЭС (%) в установленной мощности и в произ-
водстве электроэнергии в стране.
Страна
Установленная мощность 
ГеоЭС, МВт (%)
Выработка электроэнергии
на ГеоЭС, ГВт
æ
ч/год (%)
Филиппины
1931 (16,2)
8630 (21,5)
Эль Сальвадор
105 (15,4)
550 (20,0)
Кения
127 (15,0)
1100 (20,0)
Никарагуа
78 (17,0)
308 (17,2)
Исландия
202 (13,0)
1433 (4,7)
Коста-Рика
162 (7,8)
1170 (10,2)
Новая Зеландия
435 (5,1)
3600 (6,1)
Индонезия
797 (3,0)
6085 (5,1)

---

116
В октябре 2002 г. пущены в строй 1-й и 2-й блоки Мутновской
ГеоЭС-1 мощностью 50 (2
×
25) МВт — лучшей геотермальной элект-
ростанции в мире по экологическим параметрам и уровню автомати-
зации.
Создание и пуск в эксплуатацию модульных геотермальных элек-
трических и тепловых станций, а также создание ГеоЭС с комбини-
рованным циклом вновь вводят Россию в число передовых стран в
области геотермальной энергетики. На Мутновском геотермальном
месторождении успешно функционируют пять геотермальных энер-
гоблоков. Общая установленная электрическая мощность ГеоЭС Рос-
сии составляет 73 МВт и имеются реальные перспективы для ее
дальнейшего увеличения.
Перспективы развития геотермальной электроэнергетики обус-
ловлены ее конкурентоспособностью и рядом преимуществ по срав-
нению с традиционной энергетикой, среди которых — экологическая
чистота, отсутствие транспортных расходов на доставку топлива и
относительно короткие сроки строительства. Количество выбросов в
атмосферу диоксида углерода на ГеоЭС в несколько десятков раз
ниже, чем на ТЭС, работающих на угле, мазуте и природном газе, и
полностью исключаются на современных ГеоЭС, использующих тех-
нологию обратной закачки отработанного геотермального теплоно-
сителя.
1.7. 2. Технологические схемы 
геотермальных электростанций
Как уже отмечалось, ГеоЭС целесообразно сооружать, если тем-
пература геотермального флюида не ниже 100 °С. Высокотемпера-
турные геотермальные ресурсы ограничены и в основном встреча-
ются в местах молодого вулканизма и разломов земной коры.
Обычно такие ресурсы представлены парогидротермами, представ-
ляющими собой насыщенный пар с той или иной степенью сухости.
Возможны различные методы использования парогидротерм в техно-
логических схемах ГеоЭС.
1. Пар, содержащийся в высокотемпературном флюиде, отделяют
в сепараторе от жидкой фазы и направляют в паровую турбину, а
жидкость закачивают обратно в пласт. Для более полного использо-
вания энергии первичного флюида целесообразно отсепарированную
жидкую фазу дросселировать до более низкого давления, за счет чего
образуется еще некоторое количество пара, который может быть
направлен в промежуточную ступень турбины. Это метод исполь-
зуют на большинстве ГеоЭС.

---

117
2. Первичный флюид используют для нагрева и испарения рабо-
чего агента, циркулирующего во вторичном контуре бинарной
ГеоЭС.
3. Отработанный в турбине пар и жидкий сепарат используют
для нагрева, испарения и перегрева рабочего агента, циркулирую-
щего в низкотемпературном контуре в цикле Ренкина.
На рис. 1.24 приведены принципиальные тепловые схемы ГеоЭС,
которые зависят от качества геотермального теплоносителя (темпе-
ратуры, паросодержания, минерализации и т.п.).
В схеме на рис. 1.24, 
а
сухой пар из скважин после отделения в
сепараторе твердых включений направляется непосредственно в тур-
бину, оттуда в конденсатор поверхностного типа. Охлажденный кон-
денсат закачивается обратно в пласт.
В схеме на рис. 1.24, 
б
пароводяная смесь поступает в сепаратор-
расширитель, в котором пар отделяется от жидкости и направляется в
турбину, а отделенная жидкость и конденсат из конденсатора закачи-
ваются обратно в пласт.
В бинарном (двухконтурном) цикле
(рис. 1.24, 
в
) геотермальный
теплоноситель передает теплоту в промежуточных теплообменниках
другому рабочему телу. Бинарный цикл имеет свои преимущества и
недостатки. К преимуществам относятся:
•
более полное использование теплоты рассола и закачка его в
пласт с меньшей температурой;
•
возможность использования геотермальных ресурсов с пони-
женной температурой для выработки электроэнергии;